HEPA-Filter mit PTFE-Membran

Halbleiterherstellung in Reinraumumgebungen

Abbildung 1: Nanoclass Square EF ©MANN+HUMMEL

Abbildung 2: Nanoclass Cube N EF ©MANN+HUMMEL

Nanoclass FFU_EF©MANN+HUMMEL

Nanoclass FFU_Vogelperspektive©MANN+HUMMEL

Reinraumarbeitsplätze©Shutterstock-Gorodenkoff

Angesichts verschärfter Umweltvorschriften und ambitionierter Dekarbonisierungsziele rückt der Energieverbrauch von Gebäuden und Prozessen zunehmend in den Fokus. Reinraum-Luftaufbereitungssysteme bieten dabei ein erhebliches Einsparpotenzial. HEPA-Filter, als zentrale Komponenten dieser Anlagen, werden häufig als standardisierte Verbrauchsmaterialien betrachtet. Die Einführung von Filtermedien aus expandiertem Polytetrafluorethylen (ePTFE) stellt diese Sichtweise jedoch infrage – nicht nur hinsichtlich der lufttechnischen Leistungsfähigkeit, sondern auch in Bezug auf chemische Beständigkeit, Lebensdauer und die Gesamtkosten über den gesamten Lebenszyklus hinweg.

Der Energieverbrauch von HEPA-Filtern wird häufig unterschätzt. Lüftungs- und Luftbehandlungsanlagen können einen erheblichen Anteil am gesamten Stromverbrauch eines pharmazeutischen oder mikroelektronischen Produktionsgebäudes ausmachen. Je nach Anlage kann dieser Anteil bei 50 % oder mehr liegen. Innerhalb dieser Systeme stellen HEPA-Filter den größten strömungstechnischen Widerstand dar. Ihr Differenzdruck beeinflusst direkt den Stromverbrauch von Ventilatoren, unabhängig davon, ob es sich um FFUs (Fan Filter Units) in Filterdecken oder um raumlufttechnische Anlagen (RLT-Anlagen) zur Aufbereitung der Primärluft handelt.

Bei HEPA-Filtern für Reinräume sind grundsätzlich zwei Hauptkonfigurationen zu unterscheiden, die sich deutlich hinsichtlich ihres Differenzdruckverhaltens unterscheiden: Reinraumtechnik-Paneele, die in Filterdecken, FFUs (Fan Filter Units), Isolatoren und RABS (Restricted Access Barrier Systems) integriert sind, sowie HEPA Box Filter, die in raumlufttechnischen Anlagen (RLT-Anlagen) eingesetzt werden. 

In beiden Fällen stellt der Differenzdruck eines HEPA-Filters eine permanente Belastung für den zugehörigen Ventilator dar. Addiert über den gesamten Filterbestand einer Anlage, der von einigen Dutzend bis zu mehreren Hundert Filtern reichen kann, führt dieser Strömungswiderstand zu einem erheblichen jährlichen Energieverbrauch. Hinzu kommt die fortschreitende Erhöhung des Druckverlusts im Betrieb.

Die ePTFE-Membran: Funktionsprinzip und strukturelle Merkmale

Expandiertes Polytetrafluorethylen (ePTFE) wird durch die Extrusion und biaxiale Streckung eines fluorierten Polymers hergestellt. Dabei entsteht eine mikroporöse Membran mit Fasern im Mikrometerbereich. Dank dieser Struktur mit einer höheren Dichte feinster Fasern kann die Filterklasse H14 mit einer deutlich geringeren Menge an Filtermaterial erreicht werden als bei herkömmlichen Glasfasermedien.

PTFE-Filter sind in der Regel als dreischichtige Sandwich-Konstruktion aufgebaut: Zwei Trägerschichten aus Vliesstoff, Polyester oder Polypropylen umschließen die aktive ePTFE-Membran. Während die Trägerschichten die notwendige mechanische Stabilität gewährleisten, übernimmt die ePTFE-Membran die eigentliche Filtrationsleistung.

Glasfasermedien arbeiten nach einem kombinierten Filtrationsprinzip: Zu Beginn der Standzeit dringen die Partikel tief in die Faserstruktur ein, wodurch eine sogenannte Tiefenfiltration stattfindet. Dabei bilden sich Dendritenstrukturen, die die Zwischenräume zwischen den Fasern nach und nach ausfüllen. Erst anschließend etabliert sich zunehmend eine Oberflächenfiltration.
Dieser zweistufige Mechanismus führt zu einem nichtlinearen Anstieg des Differenzdrucks, der sich insbesondere gegen Ende der Filterstandzeit deutlich beschleunigt.

ePTFE-Medien arbeiten dagegen von Beginn an überwiegend nach dem Prinzip der Oberflächenfiltration. Die Partikel lagern sich auf der Anströmseite der Membran ab, ohne tief in die Filterstruktur einzudringen. Daraus resultiert in der Regel ein gleichmäßigerer und besser vorhersagbarer Anstieg des Differenzdrucks, der sich direkt für die Wartungsplanung und die Optimierung der Gesamtbetriebskosten (Total Cost of Ownership, TCO) nutzen lässt.

Vergleich der Energiebilanz: Kennzahlen und Praxiswerte

Bei gleicher Filtereffizienz der Klasse H14 liegt der Anfangsdruckverlust eines PTFE-Mediums etwa 50°% unter dem eines vergleichbaren Glasfasermediums. Dieses Verhältnis gilt sowohl für Paneele als auch für 292-mm-Filter, wie sie in raumlufttechnischen Anlagen (RLT-Anlagen) eingesetzt werden.

Bei Reinraumpanelen liegen die anfänglichen Differenzdruckwerte von Glasfasermedien, abhängig von Hersteller und Baugröße (66 bis 70 mm Bauhöhe), zwischen 90 und 130 Pa. Der Nanoclass Square EF von MANN+HUMMEL erreicht dabei einen Wert von rund 90 Pa. Vergleichbare PTFE-Medien liegen mit etwa 55 Pa bei ungefähr der Hälfte dieses Druckverlusts.

Bei 292-mm-Filtern für raumlufttechnische Anlagen (RLT-Anlagen) hängt der absolute Differenzdruck von Faktoren wie Nennvolumenstrom und verfügbarer Filterfläche ab. Das Verhältnis zwischen Glasfaser- und PTFE-Medien bleibt jedoch vergleichbar: Der Druckverlust von PTFE-Medien liegt typischerweise bei etwa der Hälfte desjenigen entsprechender Glasfasermedien.

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Wichtiger Hinweis zu Differenzdruckdaten
Die Werte für den Differenzdruck hängen vom Nennvolumenstrom, der verfügbaren Filterfläche und der Anströmgeschwindigkeit ab. Vergleiche zwischen Glasfaser- und PTFE-Medien sollten daher stets bei identischem Volumenstrom und gleicher Filterbaugröße durchgeführt werden. Für eine belastbare Bewertung ist es erforderlich, die Leistungskennlinien der jeweiligen Hersteller für die betreffenden Filtertypen heranzuziehen.

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Bei konstantem Volumenstrom und innerhalb des normalen Betriebsbereichs von FFUs oder RLT-Ventilatoren führt eine Reduzierung des Differenzdrucks im Filtersystem unmittelbar zu einem geringeren Energiebedarf des Ventilators. Die tatsächlich erzielbaren Energieeinsparungen hängen jedoch von mehreren Faktoren ab, insbesondere vom jeweiligen Betriebspunkt, der Ventilatorkennlinie, dem Gesamtwirkungsgrad des Systems sowie der eingesetzten Regelungsstrategie.

Über die Lebensdauer einer Anlage hinweg, die bei FFUs typischerweise 15 bis 20 Jahre und bei raumlufttechnischen Anlagen oft noch länger beträgt, können die kumulierten Energieeinsparungen den höheren Einkaufspreis eines PTFE-Filters deutlich übersteigen. Dieser liegt in der Regel bei etwa dem Zwei- bis Dreifachen eines vergleichbaren Glasfaserfilters. Dadurch kann sich die Investition in PTFE-Filter trotz höherer Anfangskosten über die Gesamtnutzungsdauer der Anlage wirtschaftlich auszahlen.

Chemische Beständigkeit in Umgebungen mit intensiven Dekontaminationsprozessen 
Borosilikat-Glasfasern sind gegenüber Wasserstoffperoxid chemisch inert. Das enthaltene Siliziumdioxid (SiO₂) reagiert unter den üblichen Bedingungen pharmazeutischer Dekontaminationsprozesse nicht mit H₂O₂. Diese Eigenschaft wurde durch die Battelle-Studie bestätigt, in der nach 50 VHP-Zyklen (Verdampftes Wasserstoffperoxid) keine Materialdegradation festgestellt wurde . Dieser Aspekt ist besonders hervorzuheben, da in der Branche teilweise noch die Annahme besteht, Glasfasermedien seien gegenüber wiederholten H₂O₂-Dekontaminationszyklen anfällig.

Das Glasfasermedium besteht jedoch nicht ausschließlich aus Glasfasern. Ein organisches Acrylat-Bindemittel, das etwa 3 bis 5 % der Zusammensetzung ausmacht, hält die Fasern zusammen. Dieses Bindemittel kann bei langfristiger und wiederholter Exposition gegenüber oxidativen Medien theoretisch einen kritischen Faktor darstellen, insbesondere in aseptischen Abfüllisolatoren mit häufigen VHP-Dekontaminationszyklen.

Bei den Nanoclass Square Pro Membrane-Filtern ist die aktive ePTFE-Membran frei von organischen Bindemitteln. Die Medienstruktur mit ihren stabilen C-F-Bindungen verleiht der ePTFE-Membran eine außergewöhnlich hohe chemische Inertheit und macht sie zu einem der chemisch beständigsten technischen Polymere.

In pharmazeutischen Isolatoren mit VHP-Injektion über das Zuluftplenum vor dem HEPA-Filter, bei denen das verdampfte Wasserstoffperoxid die HEPA-Filter durchströmt, bevor es in die Kammer gelangt, wird das Adsorptionsverhalten des Filtermediums zu einem entscheidenden Betriebsparameter. Glasfasermedien können während der Begasungsphase einen nennenswerten Anteil des H₂O₂ adsorbieren. Die anschließende schrittweise Desorption während der Belüftungsphase kann die Zeit verlängern, die benötigt wird, um den vorgeschriebenen Restkonzentrationsgrenzwert zu erreichen (in der Regel < 1 ppm v/v). Dies kann sich direkt auf die Produktionsleistung auswirken. Das ePTFE-Medium weist aufgrund seiner hydrophoben und nicht hygroskopischen Eigenschaften eine geringere VHP-Adsorption auf. In Konfigurationen mit Plenum-Injektion kann dieses Verhalten dazu beitragen, die Belüftungszyklen zu optimieren.

Dieser Vorteil ist spezifisch für die Injektion über das Plenum: Bei einer direkten Injektion in die Kammer sind die Filter nur geringfügig VHP ausgesetzt, sodass dieser Unterschied vernachlässigbar wird.

TCO-Analyse (Total Cost of Ownership) und praktische Empfehlungen

Die Bewertung der Wahl zwischen Glasfaser- und ePTFE-Medien darf nicht auf den Vergleich des Anschaffungspreises pro Einheit reduziert werden. Eine TCO-Analyse (Total Cost of Ownership) über die gesamte Lebensdauer der Anlage sollte folgende Faktoren berücksichtigen:

- Der Stromverbrauch der Ventilatoren, der wesentlich durch den Differenzdruck des Filtersystems beeinflusst wird; der Vorteil von PTFE muss bei konstantem Volumenstrom bewertet werden, unter Berücksichtigung des Betriebspunkts des Ventilators sowie der zugehörigen Regelung.

- Die Filterstandzeit und Wechselintervalle: Das lineare Wachstum des Differenzdrucks bei PTFE ermöglicht die Optimierung der Wartungsintervalle und verhindert einen vorzeitigen Filterwechsel aufgrund eines starken Anstiegs der Beladung am Ende der Lebensdauer.

- Die Kosten für Qualifizierung und Requalifizierung (IQ/OQ): In einer bestehenden Anlage, die mit Glasfaserfiltern qualifiziert wurde, kann der Wechsel auf PTFE eine Requalifizierung erforderlich machen. Diese Kosten sollten in die Analyse einbezogen werden.

- Die chemische Beständigkeit: Das Fehlen organischer Bindemittel im PTFE stellt bei intensiver VHP-Anwendung einen theoretischen Langzeitvorteil dar, auch wenn die verfügbaren quantitativen Daten hierzu noch weiter untermauert werden müssen.

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Praxis-Empfehlungen: 
1) für Neubauprojekte (Greenfield-Projekte)
ePTFE-Medien sollten bereits in der Planungsphase in die Bewertung einbezogen werden, sowohl für Filter in Filterdecken (FFU, 66-70 mm) als auch für RLT-Filter (292 mm). Der Wegfall zusätzlicher Requalifizierungskosten sowie die sofortigen Energieeinsparungen über die gesamte Lebensdauer können sich vorteilhaft auf die Kapitalrendite auswirken. Für Filter, die VHP-Zyklen ausgesetzt sind, sollten EPDM- oder Gel-Knife-Dichtungen anstelle von Silikondichtungen spezifiziert werden.
2) für bestehende qualifizierte Anlagen (Brownfield-Projekte)
Den Wechsel auf PTFE im Rahmen der nächsten geplanten Erneuerung oder der nächsten Requalifizierung prüfen. Die jährlichen Energieeinsparungen der installierten Filteranlage berechnen, um die Amortisationszeit zu bestimmen. Vorrangig sollte der Dichtungstyp überprüft werden (Silikondichtungen durch EPDM- oder Gel-Knife-Dichtungen ersetzen), unabhängig von der Wahl des Filtermediums.
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Fazit

Das HEPA-Filtermedium aus ePTFE stellt in drei sich ergänzenden Dimensionen eine bedeutende technische Weiterentwicklung dar:

Erstens einen Differenzdruck, der je nach Volumenstrom, Bauform und Filterdesign bis zu etwa doppelt so niedrig sein kann wie der eines vergleichbaren Glasfaserfilters; zweitens eine bessere Vorhersagbarkeit der Beladung aufgrund einer überwiegend oberflächenbasierten Filtration; drittens eine strukturelle chemische Inertheit, die auf das Fehlen organischer Bindemittel in der aktiven Membran zurückzuführen ist.

Die Entscheidung zwischen Glasfaser- und ePTFE-Medien lässt sich nicht pauschal treffen. Sie sollte für jede Anlage individuell bewertet werden, unter Berücksichtigung des angestrebten Leistungsniveaus, des Energieprofils, des Dekontaminationsverfahrens, der Qualifizierungsanforderungen sowie des wirtschaftlichen Planungshorizonts des Betreibers.

Fussnoten

1  Zhang W., Deng S., Wang Y., Lin Z. - Dust Loading Performance of the PTFE HEPA Media and its Comparison with the Glass Fibre HEPA Media - Aerosol and Air Quality Research, 18: 1921-1931, 2018. DOI: 10.4209/aaqr.2017.11.0481

2  Zhang et al., AAQR 2018 (peer reviewed) - Camfil Technical Bulletin (compatibility H2O2) - HI-Q Environmental Products (media composition) – Battelle Memorial Institute (VHP cycles) –MANN+HUMMEL Air Filtration data (Nanoclass range).

3  Comecer - VPHP decontamination in isolators, 2020 - Camfil, Technical Bulletin: Effects of Decontamination Agents on HEPA Filters, 2020.
4  Battelle Memorial Institute - Decontamination and Reuse of Filtering Facepiece Respirators - 2020.

Literaturangaben:
-    Zhang W., Deng S., Wang Y., Lin Z. - Dust Loading Performance of the PTFE HEPA Media and its Comparison with the Glass Fibre HEPA Media - Aerosol and Air Quality Research, 18: 1921-1931, 2018.
-    Technical Bulletin: Effects of Decontamination Agents on HEPA Filters - Camfil, 2020.
-    Comecer – Decontamination with VPHP in isolators: ideas and reflections on optimising cycle times - 2020.
-    Battelle Memorial Institute - Decontamination and Reuse of Filtering Facepiece Respirators - 2020.
-    Schmidt O. et al. – Modern PTFE Membrane Based HEPA/ULPA Filters for Improved Energy Savings and Risk Reduction - ICCCS, 50 Years 50 Articles.
-    Bozenhardt A., Bozenhardt H. - Isolator Decontamination: Key Considerations – Pharmaceutical Online, 2018.