Autoklaven in der Industrie: Druck auf dem Kessel

Was haben Flugzeuge, Rennfahrzeuge, Lebensmittel und medizinische Anwendungen gemeinsam? Die Antwort ist der Autoklav. Diese Spezialgeräte spielen in vielen Industriezweigen eine wichtige Rolle. Wir erklären, wie sie funktionieren, wozu sie eingesetzt werden und was ihr Name bedeutet.

© Wolfram Schroll

Autoklave sind in vielen Industriebereichen unverzichtbar – ohne sie sähe unser Alltag vermutlich ganz anders aus. Sie dienen der thermischen Behandlung von Verbundwerkstoffen, die im Flugzeug- und Fahrzeugbau zum Einsatz kommen. In der Medizin werden Autoklave zur Sterilisation eingesetzt. Die Lebensmittelindustrie nutzt Autoklaven, um unser Essen haltbar zu machen. Reifenhersteller setzen Autoklaven zur Vulkanisierung ein. Einige Baustoffe werden in Autoklaven hergestellt. Holz wird darin imprägniert. Auch Verbundsicherheitsglas wird im Autoklaven geboren. In Medizin- und Chemie-Laboren sind sie alltägliches Arbeitsmittel. Kurzum: Man kann mit Autoklaven eine ganze Menge anstellen.

Doch was sind das für Maschinen, die unser Leben derart beeinflussen? Der Duden definiert den Begriff Autoklav – die Betonung liegt auf dem letzten a – wie folgt: „luftdicht verschließbarer Druckbehälter, der zur Durchführung von chemischen Reaktionen bei hohen Drücken oder zur Sterilisierung von medizinischen Geräten und Dosenkonserven mithilfe von Wasserdampf verwendet wird“. Das Anwenden solcher Verfahren nennt sich „autoklavieren“. Die Herkunft des Wortes ist im Griechischen und im Lateinischen zu finden. Die griechische Vorsilbe „auto“ steht für „selbst“, das lateinische „clavis“ heißt Schlüssel. Es handelt sich also um ein selbst verschließendes Gerät. Ein einfacher Autoklav steht in fast jedem Haushalt: Es ist der Schnellkochtopf. Autoklaven sind also – vereinfacht ausgedrückt – massiv gebaute Behälter aus Metall, die in der Lage sind, Druck und Hitze aufzubauen. Es gibt sie in vielen Größen und Formen, von winzig klein bis riesig groß, stets maßgeschneidert für den jeweiligen Anwendungszweck.


 
 

Funktionsweise eines Autoklavs


Im Autoklav entstehen Flugzeugteile

Das alles beschreibt das vielseitige Potenzial eines Autoklavs allerdings nicht ansatzweise. Auch in diesem Monat hat sich Fotograf Wolfram Schroll auf den Weg gemacht, um einen Bereich aus der Flugzeugproduktion für unseren ARTS-Kalender ins Bild zu setzen. Im Airbus-Werk in der spanischen Hauptstadt Madrid hat er einen Autoklav abgelichtet und damit dem Grundstein für diesen Artikel gelegt.

Im Flugzeugbau wächst mit dem Einzug von Faserverbundwerkstoffen die Bedeutung des Autoklavs. Wurden Airliner früher fast ausschließlich in Metallbauweise hergestellt, bestehen heute immer mehr Baugruppen aus Kohlefaser. Dieser Werkstoff punktet mit hoher Festigkeit bei niedrigem Gewicht. Mehr Zuladung, geringerer Kraftstoffverbrauch und somit weniger Emissionen sind die gewünschten Effekte. Beim doppelstöckigen Airbus A380 sind 20 Prozent der Struktur aus Kohlefaser (CFK) gefertigt, beim A350 mehr als 50 Prozent. Ähnliche Wege geht der amerikanische Mitbewerber Boeing beim Bau des 787 Dreamliner.


Airbus Autoklav zur Herstellung von überdimensionalen Verbundwerkstoffen

Der riesige Harbin Hafei Autoklav bei Airbus produziert Verbundwerkstoffe für den A350 XWB - © Airbus SAS 2017


Auch die Premium AEROTEC aufgestellte Autoklav zur Produktion des A350 XWB misst 27 Meter in der Länge, acht Meter im Durchmesser und wiegt 320 Tonnen. Vorimprägnierte Kohlefasermatten – so genannte Prepregs – werden zunächst in die Formen eingebracht. Unter einer Folie wird ein Vakuum erzeugt, ein Vlies nimmt dort die überschüssigen Reaktionsharze auf. Im Autoklaven wird das Bauteil unter hohem Druck bei hohen Temperaturen förmlich zusammengepresst und ausgehärtet. Das Ergebnis sind hochfeste Bauteile mit minimalem Gewicht.

Der technische Aufwand, um solche Composite-Bauteile für ein Linienflugzeug im Autoklaven zu produzieren, ist allerdings enorm. Für die meisten Hersteller zwei bis viersitziger Leichtflugzeuge ist diese Technologie nicht erschwinglich; viele von ihnen laminieren ihre Bauteile auch heute noch von Hand und arbeiten mit herkömmlichen Temperkammern.

Auch im Rennsport ist Kohlefaser als Werkstoff nicht mehr wegzudenken. Ob Formel 1 oder MotoGP, bei vier- und zweirädrigen Rennboliden zählt jedes Gramm Gewichtsersparnis. Die Fertigung der Composite-Bauteile erfolgt in diesen Bereichen nach vergleichbar hohen Standards wie in der Luftfahrt. Übrigens verbraucht ein Formel-1-Team im Durchschnitt 5,5 Tonnen des wertvollen Materials pro Jahr.

BMW i3 – Elektroauto mit Kohlefaserkarosserie

Wenig Gewicht für den Elektro BMW - der BMW i3 setzt auf eine Karosserie aus Kohlefaser

Autoklav als Dampfsterilisator: Keine Chance für Keime

Ein ganz anderer Einsatzbereich von Autoklaven sind Medizin und Biologie, wo sie zur Sterilisierung, beispielsweise von Instrumenten, eingesetzt werden. Mit Hilfe von heißem Wasserdampf werden dabei Keime bestmöglich abgetötet. Je nach Funktionsweise des Autoklavs wird die Luft mehrfach abgepumpt und durch Dampf ersetzt (Vakuumverfahren). Beim so genannten Strömungs- oder Gravitationsverfahren wird die Luft wird wie beim Schnellkochtopf durch Dampf verdrängt. Der Dampf wird entweder im Autoklav erzeugt oder extern zugeführt. Die Temperaturen bei der Dampfsterilisation liegen zwischen 120 und 143 Grad, der Druck zwischen einem und drei Bar.

Auch die Lebensmittelindustrie nutzt Autoklaven zum Abtöten ungeliebter Mikro-Organismen. Ziel ist es, unser Essen länger haltbar zu machen – angesichts von 18 Millionen Tonnen an Nahrungsmitteln, die jedes Jahr allein in Deutschland unverzehrt auf dem Müll landen, ein wichtiges Arbeitsgebiet in dieser Branche. Erreicht wird dieser Effekt zum einen durch die Dampfsterilisation. Teilweise werden die Keime in den Lebensmitteln auch durch Druck zerstört – bis zu 7000 Bar machen den Keimen den Garaus. Die Lebensmitteltechniker versuchen dabei, den natürlichen Geschmack der Produkte zu bewahren. Damit die Lebensmittel unbeschadet und haltbar beim Kunden ankommen, spielt am Ende der Kette die Verpackung eine wichtige Rolle.


Chemie, Reifen, Bauindustrie: Autoklaven sind weit verbreitet 

Ein weiteres Anwendungsgebiet für Autoklave ist die Chemie. Im Autoklav werden beispielsweise Gase unter Druck zur Reaktion gebracht. Eine große Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang auch der Herstellung von Polymerkunststoffen zu. Die Liste der Anwendungsbereiche von Autoklaven lässt sich weiter fortsetzen. Reifenhersteller nutzen Autoklave zur Vulkanisation von Kautschuk – ein Verfahren, das Charles Goodyear 1839 eher zufällig entdeckte. Dabei wird Kautschuk künstlichen oder natürlichen Ursprungs unter Verwendung von Schwefel und anderen Stoffen in Gummi verwandelt.


 
 

Vulkanisierung von Kautschuk zu Gummi in einem Autoklaven

Auch die Bauindustrie macht sich die Eigenschaften des Autoklaven zu Nutze. Der Werkstoff Holz beispielsweise wird getränkt, gedämpft oder unter Druck imprägniert. Auch Baustoffe wie Kalksandsteine und Porenbeton werden mit Hilfe des Autoklaven hergestellt – Festigkeit und Struktur lassen sich über den Prozess des Autoklavierens beeinflussen. Schließlich ist Verbundglas ein weiteres Produkt aus dem Alltag, das im Autoklav entsteht: Das vorab gefertigte Sandwich aus Folie und Glas wird im Autoklav dauerhaft verbunden. Zwar kommt der Autoklav in vielen modernen Industriezweigen zum Einsatz, seine Erfindung jedoch ist alles andere als neu. Der französische Physiker Denis Papin entwickelte bereits 1679 den Papin’schen Topf, der später als Schnellkochtopf Karriere machte und Pate für den Autoklaven stand.


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