Die Erfindung bezieht sich auf eine Wellendichtungsvorrichtung, eine Pumpe mit dieser Wellendichtungsvorrichtung, eine Anlage zum Fördern und/oder Zirkulieren eines steril zu haltenden, flüssigen Produkts mit wenigstens einer solchen Pumpe und ein Verfahren zum Betrieb der Anlage.
Im Laborbetrieb mikrobiologische Verfahren grosstechnisch erfolgreich durchzuführen, misslingt häufig, weil im grosstechnischen Betrieb früher oder später fremde Mikroorganismen in die grosstechnische Anlage eindringen, wobei parasitäre Organismen das Nahrungsangebot für die bei dem Prozess wirksamen Organismen herabsetzen, für das Endprodukt unerwünschte Begleitstoffe produzieren, das Endprodukt selber abbauen (meta- bolisieren) und/oder toxische Organismen die im Prozess wirksamen Organismen hemmen können. Deshalb konnten Verfahren, die für das Eindringen fremder Mikroorganismen besonders empfindlich sind, bisher nur chargenweise mit relativ kurzer Behandlungszeit je Charge und erneuter zeitaufwendiger Sterilisation vor jeder Charge durchgeführt werden.
Es hat sich gezeigt, dass die für das Eindringen fremder Mikroorganismen schwachen Stellen solcher Anlagen die Wellendichtungen der Pumpen sind, besonders wenn die Pumpen, wie bei Anwendung eines Zirkulationsverfahrens, während des ganzen Prozesses laufen. Dabei können die bisherigen Wellendichtungen das Eindringen fremder Mikroorganismen auf die Dauer nicht verhindern. Das Eindringen eines einzigen parasitären oder toxisch wirkenden Mikroorganismus kann aber für dessen lawinenartige Vermehrung mit den entsprechenden Folgen genügen, wenn die für die erwünscht wirkenden Mikroorganismen verwendete Nährflüssigkeit auch von infizierenden Mikroorganismen genutzt werden kann, was meistens der Fall ist.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Durch die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 1, 2, 3 und 7 gekennzeichnet ist, wird die Aufgabe gelöst, das Eindringen unerwünschter Mikroorganismen in eine Flüssigkeit zu verhindern, die durch eine Pumpe, insbesondere in einem Kreislauf, wie bei kontinuierlichen Verfahren, gefördert wird.
Die durch die Erfindung erzielten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass sie es ermöglichen, auch für Fremdorganismen empfindliche mikrobiologische Verfahren grosstechnisch mit in einem Kreislauf zirkulierender Flüssigkeit durchzuführen, wie z.B. bei der Herstellung von L-Carnitin.
Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben, durch sie gelöste weite re Aufgaben und dadurch erreichte Vorteile gehen aus den folgenden Erläuterungen der Erfindung hervor.
Im folgenden wird die Erfindung anhand lediglich einen Ausführungsweg darstellender Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische, teils in einem Achsenlängsschnitt dargestellte Seitenansicht einer Wellendichtungsvorrichtung an einer Drehkolbenpumpe,
Fig. 2 eine Stirnansicht in Blickrichtung II in Fig. 1,
Fig. 3 ein Schema einer Anlage mit zwei, je mit einer Wellendichtungsvorrichtung nach Fig. 1 und 2 ausgerüsteten Pumpen, und
Fig. 4 einen vergrösserten Ausschnitt aus Fig. 3.
Nach Fig. 1 und 2 ist die Antriebswelle 1 der Drehkolbenpumpe 2 mittels einer Wellendichtungsvorrichtung 3 aus dem Pumpengehäuse 5, in dem der nicht dargestellte Drehkolben rotiert, herausgeführt. Die Wellendichtungsvorrichtung 3 hat einen Hohlkörper 6, durch welchen die Welle 1 mittels zweier in diesen dicht eingeschraubter Wellendichtungen 8 und 9 hindurchgeführt ist. Der Hohlkörper 6 ist dicht unter Verwendung eines O-Rings 10 an der Stirnwand 11 des Pumpengehäuses 5, durch welche die Welle 1 hindurchgeführt ist, befestigt. Die Wellendichtung 8 hat einen über ihren Sitz in den Hohlkörper 6 hinaus verlängerten koaxialen Ansatz 12, der in eine zur Welle 1 koaxiale Bohrung der Wand 11 greift, um die Wellendichtungen 8 und 9 in bezug auf die Welle 1 zu zentrieren.
Die Kammer 15 des Hohlkörpers 6 hat einen Einlass 16 und einen Auslass 17, sie liegt in einem Sperrflüssigkeitskreislauf 19, der eine Pumpe (Umwälzpumpe) 20 sowie einen Erhitzer 21 (Ste rilisator) enthält und gegebenenfalls auch durch entsprechende Hohlräume derartiger Wellendichtungsvorrichtungen anderer Pumpen und/oder durch eine zweite Wellendichtungsvorrichtung derselben Pumpe führt, wie im Falle einer Pumpe mit zwei Rotoren, bei der eine Rotorwelle direkt und die andere durch ein ausserhalb des Arbeitsraumes der Rotoren befindliches Zahnradpaar von jener Rotorwelle angetrieben ist.
Die Wellendichtungen 8 und 9 sind als einfache O-Ring-Dichtungen dargestellt, können jedoch auch anderer Art sein, auch kann eine der Wellendichtungen 8 und 9 mit einem Wellenlager für die Welle 1 zu einer Baueinheit vereinigt werden. Die Kammer 15 ist so zu gestalten, dass keine Toträume für die vom Einlass 16 zum Auslass 17 strömende Sperrflüssigkeit entstehen.
Die Sperrflüssigkeit im Kreislauf 19 wird unter einem Druck (z.B. 2 bar) gehalten, der grösser als der in der Umgebung der Kammer 15 herrschende Druck (in aller Regel Atmosphärendruck) und zweckmässig auch grösser als der Druck (z.B. 1 bar) im Arbeitsraum 23 der Pumpe 2 ist. Als Sperrflüssigkeit ist ein Gleitmittel (Schmiermittel) für die aneinander gleitenden Flächen der Wellendichtungen 8 und 9 zu wählen, das keine (oder nur vernachlässigbare) unerwünschten Wirkungen auf das mit der Pumpe 2 geförderte Produkt oder Zwischenprodukt (in der Regel eine Flüssigkeit) hat und zur wiederholten Heisssterilisation geeignet ist.
Die Sperrflüssigkeit kann eine der folgenden Flüssigkeiten sein oder wenigstens eine derselben als Bestandteil enthalten: Polyglykole, inbesondere Polyalkylenglykol (bevorzugt Polyethylenglykol), Polypropylenglykol, bzw. deren Mischpolymerisate, deren Ether und Ester, sowie Polyalkohole, insbesondere Glyzerin, pflanzliche \le, Silicone. Die meisten dieser Flüssigkeiten können auch im Lebensmittelbereich eingesetzt werden.
Wenn trotz des in der Kammer 15 herrschenden Überdruckes ein Mikroorganismus durch die Wellendichtung 9 in die Kammer hinein gelangt, wird er von der vom Einlass 16 zum Auslass 17 strömenden Flüssigkeit mitgerissen. Schliesslich wird ein in den Kreislauf 19 gelangter Mikroorganismus durch die hohe keimtötende Temperatur im gesamten Sperrflüssigkeitskreislauf 45 und insbesondere im Erhitzer 21 (Sterilisator) abgetötet. Das gilt ebenso für eventuelle durch Vermehrung entstandene Mikroorganismen.
Nach Fig. 3 wird eine Suspension von Mikroorganismen aus einem Fermenter 30 mittels einer Zufuhrpumpe 31 durch eine Leitung 32 in einen Kreislauf 33 eingespeist, in dem diese Suspension unter der Wirkung einer Pumpe 34 durch ein Crossflow-Mikrofilter 35 zirkuliert, das die mit einem Ausscheidungsprodukt der Mikroorganismen angereicherte Flüssigkeit durchlässt, das Permeat an eine Leitung 37 liefert und die Mikroorganismen zurückhält. Die dem Kreislauf 33 dabei entzogene Flüssigkeit wird dem ganzen System (Fermenter 30 und Filter 35) durch Zudosierung von steriler Nährlösung aus dem Fermenter 30 dauernd ersetzt.
Jede der beiden Pumpen 31 und 34 ist mit einer Wellendichtungsvorrichtung 3 der im Zusammenhang mit Fig. 1 und 2 erläuterten Art ausgerüstet. Diese beiden Wellendichtungsvorrichtungen 3 liegen zusammen mit einem Erhitzer 47 in einem Kreislauf 45, in dem eine Sperrflüssigkeit unter der Wirkung einer Pumpe 46 zirkuliert und durch den Erhitzer 47 steril gehalten wird. Die zirkulierende Sperrflüssigkeit steht unter einem Druck, der, wie bereits oben beschrieben, höher ist als der Druck der von den Pumpen 31 und 34 in den Kreisläufen 32 und 33 geförderten Zellsuspension. Mit einer Handpumpe 51 kann aus einem Behälter 52 die Sperrflüssigkeit nachgefüllt werden, welche im Laufe der Zeit aus dem Kreislauf 45 an die Leitungen 32 und 33 und an die Umgebung der Pumpen 31 und 34 übergeht.
Zur Aufrechterhaltung der Drücke der Zellsuspension in der Zuleitung 32 und im Kreislauf 33 sowie des Druckes der Sperrflüsssigkeit im Kreislauf 45 dienen drei Druckregler 42, 43 und 44, welche je auf den Motor 39, 40 bzw. 41 der Pumpe 31, 34 bzw. 46 wirken. Die Kreislaufleitung 33 hat im oberen, horizontalen Leitungsabschnitt eine Erweiterung 38 (Fig. 4), die sich trichterförmig nach oben verengt und in eine zum Fermenter 30 führende Rückführ- und Entlüftungsleitung 36 mündet.
Die Anlage enthält weitere nicht dargestellte Leitungen und Ventile zum Füllen und Sterilisieren vor Betriebsbeginn und nach einer gewissen Betriebszeit zum Reinigen sowie zweckmässig eine Rückspül-Einrichtung mit Ventilen 53 für das Filter 35. Die entsprechenden Mittel und Massnahmen sind Stand der Technik, nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung und deshalb nicht dargestellt.
The invention relates to a shaft sealing device, a pump with this shaft sealing device, a system for conveying and / or circulating a liquid product to be kept sterile with at least one such pump and a method for operating the system.
It is often unsuccessful to carry out large-scale microbiological processes in the laboratory, because sooner or later foreign microorganisms enter the large-scale plant in the large-scale operation, whereby parasitic organisms reduce the food supply for the organisms active in the process, produce undesirable accompanying substances for the end product, the end product itself break down (metabolize) and / or toxic organisms that can inhibit active organisms in the process. For this reason, processes which are particularly sensitive to the penetration of foreign microorganisms could previously only be carried out batch-wise with a relatively short treatment time per batch and again time-consuming sterilization before each batch.
It has been shown that the weak points for the penetration of foreign microorganisms in such systems are the shaft seals of the pumps, especially when the pumps, like when using a circulation process, run throughout the process. The existing shaft seals cannot prevent the ingress of foreign microorganisms in the long run. The penetration of a single parasitic or toxic-acting microorganism can, however, suffice for its avalanche-like multiplication with the corresponding consequences if the nutrient liquid used for the desired-acting microorganisms can also be used by infecting microorganisms, which is usually the case.
The invention seeks to remedy this. By the invention, as characterized in claims 1, 2, 3 and 7, the object is achieved to prevent the penetration of unwanted microorganisms into a liquid, which is promoted by a pump, in particular in a circuit, such as in continuous processes becomes.
The advantages achieved by the invention are essentially to be seen in the fact that they make it possible to carry out microbiological processes that are sensitive to foreign organisms on an industrial scale with liquid circulating in a circuit, such as e.g. in the production of L-carnitine.
Particular embodiments of the invention are specified in the dependent claims, further objects solved by them and advantages thereby achieved are evident from the following explanations of the invention.
In the following, the invention is explained in more detail with the aid of drawings showing only one embodiment. Show it:
1 is a schematic side view of a shaft sealing device on a rotary lobe pump, partly shown in an axial longitudinal section,
2 is an end view in viewing direction II in Fig. 1,
Fig. 3 is a diagram of a system with two, each equipped with a shaft sealing device according to FIGS. 1 and 2, and
4 shows an enlarged detail from FIG. 3.
1 and 2, the drive shaft 1 of the rotary lobe pump 2 is guided out of the pump housing 5 by means of a shaft sealing device 3, in which the rotary lobe (not shown) rotates. The shaft sealing device 3 has a hollow body 6, through which the shaft 1 is guided by means of two shaft seals 8 and 9 tightly screwed into it. The hollow body 6 is tightly attached using an O-ring 10 to the end wall 11 of the pump housing 5, through which the shaft 1 is guided. The shaft seal 8 has a coaxial extension 12 which extends beyond its seat in the hollow body 6 and which engages in a bore of the wall 11 which is coaxial with the shaft 1 in order to center the shaft seals 8 and 9 with respect to the shaft 1.
The chamber 15 of the hollow body 6 has an inlet 16 and an outlet 17, it lies in a barrier liquid circuit 19 which contains a pump (circulation pump) 20 and a heater 21 (sterilizer) and, if appropriate, also through corresponding cavities of such shaft sealing devices of other pumps and / or through a second shaft sealing device of the same pump, as in the case of a pump with two rotors, in which one rotor shaft is driven directly by that rotor shaft and the other by a pair of gearwheels located outside the working space of the rotors.
The shaft seals 8 and 9 are shown as simple O-ring seals, but can also be of a different type, and one of the shaft seals 8 and 9 can also be combined with a shaft bearing for the shaft 1 to form one structural unit. The chamber 15 is to be designed such that there are no dead spaces for the barrier liquid flowing from the inlet 16 to the outlet 17.
The barrier liquid in the circuit 19 is kept under a pressure (for example 2 bar) which is greater than the pressure prevailing in the vicinity of the chamber 15 (generally atmospheric pressure) and expediently also greater than the pressure (for example 1 bar) in the working space 23 Pump 2 is. A lubricant for the sliding surfaces of the shaft seals 8 and 9 should be selected as the barrier liquid, which has no (or only negligible) undesirable effects on the product or intermediate product (usually a liquid) conveyed by the pump 2 and for repeated hot sterilization is suitable.
The barrier liquid can be one of the following liquids or contain at least one of them as a constituent: polyglycols, in particular polyalkylene glycol (preferably polyethylene glycol), polypropylene glycol, or their copolymers, their ethers and esters, and also polyalcohols, especially glycerin, vegetable oils, silicones. Most of these liquids can also be used in the food sector.
If, despite the overpressure prevailing in the chamber 15, a microorganism enters the chamber through the shaft seal 9, it is entrained by the liquid flowing from the inlet 16 to the outlet 17. Finally, a microorganism that has entered the circuit 19 is killed by the high germicidal temperature in the entire sealing liquid circuit 45 and in particular in the heater 21 (sterilizer). This also applies to any microorganisms that may have arisen through propagation.
According to FIG. 3, a suspension of microorganisms from a fermenter 30 is fed by means of a feed pump 31 through a line 32 into a circuit 33 in which this suspension circulates under the action of a pump 34 through a crossflow microfilter 35 which contains the excreted product the microorganism allows liquid to pass through, supplies the permeate to a line 37 and retains the microorganisms. The liquid withdrawn from the circuit 33 is continuously replaced in the entire system (fermenter 30 and filter 35) by metering in sterile nutrient solution from the fermenter 30.
Each of the two pumps 31 and 34 is equipped with a shaft sealing device 3 of the type explained in connection with FIGS. 1 and 2. These two shaft sealing devices 3 lie together with a heater 47 in a circuit 45 in which a sealing liquid circulates under the action of a pump 46 and is kept sterile by the heater 47. The circulating barrier liquid is at a pressure which, as already described above, is higher than the pressure of the cell suspension conveyed by the pumps 31 and 34 in the circuits 32 and 33. With a hand pump 51, the sealing liquid can be refilled from a container 52, which passes over time from the circuit 45 to the lines 32 and 33 and to the surroundings of the pumps 31 and 34.
To maintain the pressures of the cell suspension in the feed line 32 and in the circuit 33 and the pressure of the barrier liquid in the circuit 45, three pressure regulators 42, 43 and 44 are used, each of which acts on the motor 39, 40 or 41 of the pump 31, 34 or 46 Act. The circuit line 33 has an extension 38 (FIG. 4) in the upper, horizontal line section, which narrows upwards in a funnel shape and opens into a return and vent line 36 leading to the fermenter 30.
The system contains further lines and valves (not shown) for filling and sterilizing before the start of operation and after a certain operating time for cleaning, as well as a backwashing device with valves 53 for the filter 35. The corresponding means and measures are state of the art, not the subject of the present Invention and therefore not shown.