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Die Erfindung betrifft ein Bodenelement für einen Vorlagebehälter zum Anschluss an ein Rotor-Stator-System sowie eine Anlage umfassend zumindest einen Vorlagebehälter mit einem Boden, welcher zumindest ein solches Bodenelement und zumindest ein Rotor-Stator-System aufweist.
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Unter dem Begriff „Dispersion“ wird ein Mehrphasensystem verstanden, welches mindestens ineinander im wesentlichen nicht lösliche Komponenten umfasst. Dispersionen umfassen insbesondere Emulsionen, bei welchen eine Flüssigkeit in Form von Tropfen in einer anderen Flüssigkeit verteilt vorliegt. Dispersionen umfassen des Weiteren Suspensionen, bei welchen Feststoffpartikel in einer flüssigen kontinuierlichen Phase dispergiert sind. Außerdem gehören Stoffsysteme, welche sowohl feste als auch flüssige Phasen in dispergierter Form aufweisen, ebenfalls zu Dispersionen. Auch in der kontinuierlichen Phase von Emulsionen können Feststoffe verteilt sein. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Suspoemulsionen.
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Beispiele für industriell bedeutsame Emulsionen sind Lotionen, Conditioner und Cremes sowie Gele für kosmetische und pharmazeutische Produkte sowie Mayonnaise und Dressings für Lebensmittelprodukte. Zudem gibt es ähnliche Emulsionen beziehungsweise Dispersionen in der chemischen Industrie.
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Beim Herstellen von Dispersionen und insbesondere beim Herstellen von Emulsionen ist es für den Erhalt eines Endprodukts mit den gewünschten Eigenschaften hinsichtlich der Größenverteilung der dispersen Phase, des Fließverhaltens und der Stabilität des Produkts gegenüber thermische und mechanische Belastung sowie zeitlichen Veränderungen gegenüber wichtig, dass die notwendigen Schritte des Einbringens der inneren Phase in die äußere Phase zum Herstellen eines Pre-Mixes, das Feindispergieren und das Stabilisieren des erhaltenen Produktes prozesstechnisch definiert und zuverlässig durchgeführt werden. Industriell werden Dispersionen insbesondere Emulsionen durch verschiedene Prozesse hergestellt.
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Beispielsweise werden zweistufige Prozesse verwendet, in welchen zunächst in einem Behälter mit Rührwerk ein Pre-Mix hergestellt wird und anschließend ein Durchlauf durch eine Rotor-Stator-Dispergiermaschine erfolgt. Dabei geht man in der Regel von einer Dispersion mit einer sehr breiten Partikelgrößenverteilung aus. Als Beispiel sei eine Emulsion betrachtet mit einer Tröpfchengrößenverteilung zwischen 30 und 500 Mikrometern. Mit einem herkömmlichen Rotor-Stator-System (vergleiche 1, siehe Beschreibung unten) werden die Tropfen des Pre-Mixes, welcher im Fall einer Emulsion auch als Rohemulsion bezeichnet wird zerkleinert, bis eine mittlere Tröpfchengröße erreicht ist, die dem spezifischen Energieeintrag des Rotor-Stator-Systems (Energiedichte) entspricht. Um eine relativ enge Tropfengrößenverteilung mit Tröpfchendurchmessern zwischen 5 und 10 Mikrometern und darunter zu erreichen, sind in der Regel mehrere Durchläufe durch das Rotor-Stator-System erforderlich. Häufig werden 5 bis 10 Durchläufe benötigt.
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Zunehmend wichtig beim Design und dem Betrieb von Anlagen zur Herstellung von Emulsionen wird die Anforderung, die Umweltbelastung zu reduzieren und nachhaltig zu arbeiten. Bekannte Vakuum-Mischanlagen für den Batch-Betrieb sind in 2 schematisch dargestellt. Sie bestehen mindestens aus dem Vorlagebehälter und einem Rotor-Stator-System sowie Produktleitungen und Automation (Bild a) . Zur Verbesserung der internen Durchmischung können Standard-Rührsysteme eingesetzt werden (Bilder b und c) . Das Hauptziel einer Vakuum-Mischanlage ist es, stabile Dispersionen wie Emulsionen nach internationalen Standards herzustellen. Die Behältergrößen liegen in der Regel zwischen 10 und 20.000 Litern. Die Rührwerksleistung der Behälter liegt zwischen 0,55 und 75 kW. Die Leistung des Rotor-Stator-Systems als Homogenisators liegt zwischen 5 und 75 kW.
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Das Rotor-Stator-System ist ein sehr wichtiger Teil eines Vakuum-Mischsystems. Es setzt viel Energie um, um die Phasen in sehr feine Partikel zu dispergieren. Bevor das Rotor-Stator-System in Betrieb genommen werden kann, muss erfahrungsgemäß der Flüssigkeitsstand im Vorlagebehälter mindestens 35 % der maximalen Füllhöhe des Behälters betragen, andernfalls wird Luft in das Produkt eingezogen und die Energieeinwirkung auf das Produkt verringert sich, da das Produkt zu schäumen beginnt und die Dispersion nicht haltbar ist.
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Für viele Produkte beziehungsweise Formulierungen muss der Ausgangsflüssigkeitsstand im Vorlagenbehälter jedoch extrem niedrig sein. Mit einem Standard-Vakuum-Mischer können dabei folgende Probleme auftreten:
- - Es ist dann nicht genug Flüssigkeit vorhanden, um durch die externe Zirkulationsleitung zu laufen, die ein zu großes Volumen hat. Der niedrige Flüssigkeitsstand im Vorlagebehälter führt zu einer Verwirbelung und es wird Luft in das Produkt eingebracht, was zur Schaumbildung führt.
- - Der Schaum vermindert die Dispersionseffizienz kleinerer Mengen an Inhaltsstoffen,
- - Hohe Endproduktverluste in den externen Zirkulationsleitungen, wenn kleine Chargen verarbeitet werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anlage zum Betrieb eines Rotor-Stator-Systems zu schaffen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine konstruktiv einfache Möglichkeit zu schaffen, um in einem Rotor-Stator-System auch bei geringen Mengen an Vorlage in einem vergleichsweise großen Vorlagebehälter eine effiziente Zerkleinerung und/oder Homogenisierung erreichen zu können.
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Diese Aufgaben werden auf überraschend einfache Weise gelöst, mit einem Bodenelement gemäß Anspruch 1 und einer Anlage gemäß Anspruch 5.
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Die Erfindung stellt ein Bodenelement für einen Vorlagebehälter zum Anschluss an ein Rotor-Stator-System zur Verfügung, wobei das Bodenelement eine Längsachse L umfasst sowie eine erste äußere Begrenzungsfläche und eine davon beabstandete zweite äußere Begrenzungsfläche, wobei die erste äußere Begrenzungsfläche als Teil einer oder im Ganzen als Bodenfläche eines Vorlagebehälters ausgebildet ist und die zweite äußere Begrenzungsfläche als Stator für ein Rotor-Stator-System ausgebildet ist oder Mittel zum Verbinden mit einem Stator eines Rotor-Stator-Systems aufweist, und einen ersten Kanal, welcher parallel und insbesondere koaxial zur Längsachse L von der ersten Begrenzungsfläche bis zur zweiten Begrenzungsfläche verläuft, wobei im Betrieb durch den ersten Kanal ein Fluid in das Rotor-Stator-System fließt, und wobei das Bodenelement zumindest einen zweiten Kanal aufweist, welcher beabstandet vom ersten Kanal von der zweiten Begrenzungsfläche bis zur ersten Begrenzungsfläche verläuft.
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Damit bezieht sich die Erfindung auf ein grundsätzlich bekanntes Rotor-Stator-System, welches in einer Anlage eingebaut wird, die mittels der Erfindung durch den zumindest einen zweiten Kanal eine spezielle zusätzliche interne Zirkulation direkt vom Rotor-Stator-System in den Vorlagebehälter ermöglicht. Damit ermöglicht die Erfindung die Herstellung von kleinen Mengen an Dispersionen, insbesondere Emulsionen, auch mit relativ großen Vorlagebehältern und damit häufig unabhängig von der Anlagengröße, insbesondere im Batch-Betrieb.
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In einer vorteilhaften und bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Bodenelement in Bezug auf die Längsachse L axial in ein erstes Element und ein zweites Element unterteilt und von dem zweiten Kanal durchsetzt, wobei das erste Element eine erste, dem zweiten Element zugewandte Anlagefläche und das zweite Element eine zweite, dem ersten Element zugewandte Anlagefläche aufweist, wobei die erste Anlagefläche und die zweite Anlagefläche jeweils mindestens eine korrespondierende Ausnehmung aufweisen, die so ausgebildet und dimensioniert ist, dass die Ausnehmungen als Aufnahme für mindestens ein Ventil zum Öffnen und Schließen des zweiten Kanals, insbesondere ein Klappenventil, bevorzugt ein automatisches Klappenventil, zusammenwirken. Durch die axiale Unterteilung des Bodenelements sieht die Erfindung eine konstruktiv einfache Möglichkeit vor, den zweiten Kanal durchgängig innerhalb des Bodenelements zu führen und ermöglicht gleichzeitig ein gesteuertes Öffnen und Schließen des zweiten Kanals durch das jeweils angeordnete Ventil.
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Durch die interne Zirkulation durch den zweiten Kanal ist im Betrieb stets genug Flüssigkeit im Vorlagebehälter vorhanden. Eine Verwirbelung mit Lufteinzug und resultierender Schaumbildung kann so mit Hilfe der Erfindung unterbunden werden. Dadurch kann die Effizienz bei der Herstellung von Dispersionen aus relativ kleinen Mengen an Inhaltsstoffen erhöht und Verluste an Endproduktverluste in den externen Zirkulationsleitungen können vermindert werden.
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Dies wird durch das folgende Beispiel zum Vergleich von Rückhaltevolumina illustriert: Bei einem Rotor-Stator-System, das als Homogenisator mit einer Leistung von 45 kW betrieben wird, beträgt das Rückhaltevolumen bei einer externen Zirkulationsleitung im vertikal verlaufenden Teil, welcher also insbesondere parallel zur Längsachse verläuft, mindestens 30 Liter. Demgegenüber kann mit zwei internen Zirkulationsbohrungen DN50 ein Rückhaltevolumen von maximal 0,8 Litern realisiert werden. Der Begriff „Zirkulationsbohrung“ ist dabei synonym zum „zweiten Kanal“ gebraucht und soll veranschaulichen, dass ein solcher zweiter Kanal insbesondere als einfache Bohrung gefertigt werden kann.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Bodenelement zumindest eine Absperrklappe auf, bevorzugt eine steuerbare, besonders bevorzugt eine regelbare Absperrklappe, ganz besonders bevorzugt ausgebildet als Butterfly-Ventil, wobei die Absperrklappe in dem zweiten Kanal angeordnet ist. Damit kann der Durchsatz durch den zweiten Kanal reguliert werden.
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Nachhaltigkeit und flexible Dosierung sind auch aus wirtschaftlichen Gründen zunehmend von Interesse. Mit der flexiblen Dosierung kann der Energieverbrauch und der Wasserverbrauch für CIP reduziert werden, zudem fallen weniger Abfallprodukte aus der Charge, Abwasser und Chargenzeit an. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Bodenelement eine oder zwei oder drei oder vier oder mehr zweite Kanäle aufweist. Über die Anzahl an zweiten Kanälen beziehungsweise kann die Bodenplatte gemäß der Erfindung an unterschiedliche Anforderungen und Größen des Vorlagebehälters angepasst werden.
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Des Weiteren kann das Bodenelement gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung zumindest eine Drosselplatte aufweisen, welche beabstandet von und benachbart zur ersten äußeren Begrenzungsfläche der Bodenplatte in Projektion der Querschnittsfläche eines zweiten Kanals positioniert ist. Mit anderen Worten, im Betrieb kann im Vorlagebehälter über der Mündung des zweiten Kanals eine Platte angebracht sein, von deren Neigung in Bezug auf die Querschnittsfläche des zweiten Kanals an seiner Mündung in den Vorlagebehälter der Druck und damit der Volumenstrom durch den zweiten Kanal abhängt. In einer bevorzugten Variante ist die Drosselklappe einstellbar, insbesondere regelbar oder steuerbar, und dies bevorzugt automatisiert.
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Zudem stellt die Erfindung auch eine Anlage zur Verfügung umfassend zumindest einen Vorlagebehälter mit einem Boden, welcher zumindest ein oben beschriebenes Bodenelement und zumindest ein Rotor-Stator-System aufweist. Eine solche Anlage hat also einen Vorlagebehälter, der einen Boden aufweist, welcher zumindest abschnittsweise das Innere des Vorlagebehälters vom Inneren des Rotor-Stator-Systems, insbesondere vom Dispergierraum zwischen den korrespondierend zueinander angeordneten Zahnkränzen des Rotors und des Stators, trennt, wobei der Boden einen ersten Kanal zum Zuführen des im Vorlagebehälter vorgelegten Pre-Mixes und zumindest einen zweiten Kanal zur internen Rückführung von Dispersion, insbesondere Emulsion, aus dem Dispergierraum in den Vorlagebehälter aufweist. Ein solcher zweiter Kanal kann im einfachsten Fall als Bohrung durch den Boden gefertigt sein.
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In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anlage umfasst diese zumindest einen dritten Kanal mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Einlass des dritten Kanals derart angeordnet ist, dass er im Betrieb zumindest teilweise ein aus dem Rotor-Stator-System austretendes Fluid aufnimmt, und wobei der Auslass des dritten Kanals in den Vorlagebehälter mündet. Der dritte Kanal kann damit eine externe Zirkulationsleitung bilden, welche im Betrieb Fluid aus dem Rotor-Stator-System heraus und um den Boden des Vorlagebehälters herum oberhalb des Bodens in den Vorlagebehälter zurückführt. Die Mündung des dritten Kanals liegt bevorzugt außerhalb des Bodens des VOrlagebehälters, nämlich in dessen sich an den Boden anschließenden Wand.
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Bei Verwendung der internen Zirkulation durch den zumindest einen zweiten Kanal muss nicht die gesamte externe Zirkulationsleitung durch den zumindest einen dritten Kanal mit Flüssigkeit gefüllt sein. So kann die Anlage erfindungsgemäß mit weniger Flüssigkeit im Vorlagebehälter betrieben werden. Diese Option ist sehr wichtig für Rezepturen mit geringem Flüssigkeitsvolumen zu Beginn des Prozesses, wenn beispielsweise eher kleine Mengen an Wirkstoffen zu dispergieren sind, bevor in folgenden Prozessschritten größere Flüssigkeitsmengen in den Behälter gegeben werden.
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Die Erfindung bietet daher die Möglichkeit, Chargen mit interner Zirkulation im Homogenisator bei niedrigem Flüssigkeitsstand, beispielsweise 10 % des Volumens des Vorlagebehälters, herzustellen, und ermöglicht eine flexible Chargenbildung, insbesondere mit Chargengrößen von 10 % bis 100 % des Volumens des Vorlagebehälters. Das bedeutet, dass sehr kleine Chargenmengen hergestellt werden können, gänzlich ohne eine externe Zirkulationsleitung in Form eines dritten Kanals zu verwenden. Dazu werden unten Vergleichsexperimente zu möglichen Einsparungen beschrieben.
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Mit Hilfe der Erfindung erfolgt im Wesentlichen keine Schaumbildung, denn die Flüssigkeit kehrt im Betrieb in den Vorlagenbehälter zurück, wenn der Flüssigkeitsstand im Behälter niedrig ist, und wird dennoch nicht mit Luft in Kontakt gebracht. Da das Produkt luftfrei ist, ist die Effizienz des Dispergierens hoch.
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Zudem ist das Rückhaltevolumen in dem zumindest einen zweiten Kanal sehr klein, so dass weniger Verluste des Endprodukts anfallen, insbesondere weniger als 10% der Verlust ein üblichen Anlagen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Anlage einen Verschluss für den zumindest dritten Kanal auf, wobei der Verschluss insbesondere als einstellbares und/oder regelbares und/oder steuerbares Ventil ausgebildet ist. Der Flüssigkeitsstand steigt im Vorlagenbehälter während der Herstellung eines Produkts im Batch-Betrieb an. Der Versschluss für den dritten Kanal ermöglicht einen flexiblen Betrieb je nach aktuell verarbeitetem Volumen.
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Wenn der Flüssigkeitsstand ansteigt, kann man, wenn eine geringere (zum Beispiel eine halbe) oder eine größere Charge (zum Beispiel eine ganze) herstellen möchte, auf externen Umlauf durch den zumindest einen dritten Kanal umschalten, indem der Verschluss für den externen Umlauf geöffnet wird. Gleichzeitig kann die Absperrklappe für den internen Umlauf geschlossen werden. Es kann also flexibel entschieden werden, ob der internen Kreislauf für niedrige Flüssigkeitsstände oder der externen Kreislauf für hohe Flüssigkeitsstände im Behälter verwendet werden soll. Mit dieser Option ermöglicht die Erfindung die Produktion von kleinen Chargen oder zumindest kleinen Ausgangsmengen. Gleichzeitig ermöglicht die Erfindung auch dabei eine gute Scherrate ohne Lufteintrag und minimiert die Rotation und das Verspritzen des Produkts im Behälter.
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Die erfindungsgemäße Anlage mit den zweiten Kanälen, welche insbesondere als interne Bohrungen gefertigt sind, ist zudem leicht zu reinigen (cGMP), beispielsweise mit Hilfe des Rotor-Stator-Systems und eines CIP-Programms.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Fotografie eines Stators mit zwei Zahnkränzen (rechts) und eines Rotors mit mehreren schräg angeordneten Zähnen (links) eines herkömmlichen Rotor-Stator-Systems,
- 2 schematische Darstellungen von Vakuum-Mischanlagen für den Batch-Betrieb gemäß dem Stand der Technik,
- 3 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch eine Anlage mit Rotor-Stator-System mit Illustration einer externen Rückführung zum Vorlagenbehälter,
- 4 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch eine Anlage mit Rotor-Stator-System mit Illustration einer internen Rückführung durch einen zweiten Kanal und einer externen Rückführung zum Vorlagenbehälter,
- 4a: Schematische Darstellung eines Längsschnitts durch eine Anlage mit internen und externen Zirkulationsleitungen entsprechend der in gezeigten Ausführungsform,
- 5 eine Fotografie eines Butterfly-Ventils,
- 6 eine Fotografie einer Anlage und
- 7 eine Fotografie einer weiteren Anlage.
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In 1 sind ein Rotor und ein Stator eines üblichen Rotor-Stator-Systems gezeigt.
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In 2 sind Anlagen gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Diese haben jeweils eine externe Zirkulationsleitung 5 und ein Rotor-Stator-System 4. Die Anlagen weisen einen Durchflussmesser 6 im horizontalen Teil der Zirkulationsleitung auf. der schraffiert hierlegte Bereich illustriert jeweils die rechts vom Behälter verlaufende vertikale Zirkulationsleitung. Die in 2 links unter a dargestellte Variante hat keinen Rührer. Die in 2 mittig unter b dargestellte Variante hat ein Abstreifrührwerk. Die in 2 rechts unter c dargestellte Variante hat ein gegenläufig drehendes Rührwerk.
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In 3 ist ein Ausschnitt aus einer Anlage mit einem Rotor-Stator-System 4 und einem Vorlagebehälter 100 gezeigt, welche eine externe Zirkulationsleitung aufweist. Eingezeichnet sind Pfeile, die die Durchströmung durch einen ersten Kanal aus dem Vorlagebehälter 100 hin zum Rotor-Stator-System 4 und nach Verlassen von dessen Dispergierzone hin zu der externen Zirkulationsleitung veranschaulichen.
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In 4 ist ein Querschnitt durch einen Ausschnitt einer Anlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Diese weist einen Antriebsmotor 5 auf. Anhand von 4 lassen sich der Aufbau und die Funktion der Betriebsweise mit interner und/oder externer Rückführung vom Rotor-Stator-System in den Vorlagebehälter erkennen. Die externe Zirkulationsleitung 30 erlaubt eine Rückführung in den Behälter 100.
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Im Betrieb wird Flüssigkeit aus dem Behälter 100 angesaugt. Die Flüssigkeit wird im Rotor-Stator-System 4 verarbeitet und fließt über einen zweiten Kanal 20 oder mehrere zweite Kanäle 20 in das Behälterinnere zurück. Es findet eine interne Rückführung in den Behälter 100 statt. Dadurch wird ein interner Kreislauf gebildet. Der zweite Kanal 20 beziehungsweise die zweiten Kanäle können als integrierte Bohrungen im Homogenisatorgehäuse, das heißt insbesondere in der äußeren Begrenzung des Dispergierraums auf dessen zum Vorlagebehälter 100 hin weisenden Seite, ausgebildet sein. In der dargestellten Ausführungsform weisen diese Bohrungen 20 jeweils eine hier automatisierte Drosselklappe 21 auf.
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Das Bodenelement 1 ist axial in zwei Teile 111; 112 geteilt, wobei der erste oder obere Teil 111 und der zweite oder untere Teil 112 zusammen das Bodenelement 1 bilden. So ist das Bodenelement von dem zweiten Kanal 20 durchzogen, wobei eine automatische Absperrklappe 23 durch entsprechende Ausnehmungen in den Kontaktflächen der beiden Teile des Bodenelements 1 gehalten wird.
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Der Gegendruck in den Bohrungen beziehungsweise in den zweiten Kanälen 20 kann durch die Einstellung der Absperrbeziehungsweise Drosselklappe 21 reguliert werden, welche im gezeigten Ausführungsbeispiel in der Bohrung 20 positioniert ist. Ist die Absperrklappe 21 voll geöffnet, ist der Gegendruck minimal und der Durchfluss hoch. Ist die Absperrklappe 21 teilweise geöffnet, ist der Gegendruck höher und der Durchfluss geringer als bei voll geöffneter Klappe 21. Der Gegendruck kann beispielsweise durch ein insbesondere sanitäres Manometer oder einen automatischen, sanitären Drucksensor angezeigt werden, der mit der automatischen Drosselklappe verbunden ist und in der internen Zirkulationsleitung 20 angebracht wird.
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Der Gegendruck steht in direktem Zusammenhang mit dem Durchfluss durch den Homogenisator und der Verweilzeit im Dispergierraum des Rotor-Stator-Systems. Ein höherer Gegendruck bedeutet einen geringeren Durchfluss, der geeignet ist, einen niedrigen Flüssigkeitsstand angemessen zu verarbeiten.
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In der in 4 illustrierten Anlage ist auch ein Druckmessgerät oder -sensor 7 gezeigt. Durchflussmesser, Drucksensoren und die automatischen Absperrklappen 33 und 23, hier ausgebildet als internes Butterflyventil 23, des externen und des internen Kreislaufs können im Rahmen der Erfindung so miteinander verbunden werden, dass der externe Durchfluss durch die Rohrleitungen mit dem internen Durchfluss durch die zweiten Kanäle 20 abgeglichen werden können. Dies beruht auf dem Bernoulli-Effekt. Das interne Butterflyventil kann über eine Spindel 8 geöffnet beziehungsweise geschlossen werden.
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In 4a sind die erfindungsgemäßen Elemente, die dem in 4 gezeigten Ausschnitt entsprechen, als eine Anlage dargestellt, die einen Kessel oder einen Zufuhrbehälter 100 umfasst, der über einen Flansch 42 mit dem Gehäuse 40 eines Homogenisators oder Rotor-Stator-Systems verbunden ist. Im Betrieb treibt ein Motor 5 den Homogenisator 4 so an, dass sich der Rotor mit seinen Zähnen im Dispergierraum entlang der Zähne des Stators bewegt. Von der Dispergierkammer des Homogenisators ermöglicht ein zweiter Kanal 20 die interne Zirkulation vom Homogenisator 4 zurück zum unteren Teil des Behälters 100. Der erfindungsgemäße zweite Kanal 20 sorgt also für eine interne Zirkulationsleitung innerhalb des Homogenisatorgehäuses. Neben dieser internen Zirkulation ist als dritter Kanal eine externe Zirkulationsleitung vorgesehen, die die Rückführung des Produkts in den oberen Teil des Behälters ermöglicht.
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In 5 ist ein Foto eines Butterfly-Ventils dargestellt, welches eine Ausführungsform einer Absperrklappe 23 für einen zweiten Kanal 20 des erfindungsgemäßen Bodenelements 1 ist. Die Dichtung kann je nach den in der Vakuum-Mischanlage verarbeiteten Rohstoffen aus unterschiedlichen Materialien wie etwa EPDM, FPM oder Teflon ausgewählt werden.
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In den 6 und 7 sind Fotos von Anlagen gezeigt, welche auch mit einer externen Zirkulationsleitung ausgestattet sind. Die Anlage in 6 hat ein Volumen von 5.000 Litern. Die Anlage in 7 hat ein Volumen von 30 Litern.
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Über die Einstellmöglichkeit des Volumenstroms beziehungsweise des Durchflusses durch den zweiten Kanal oder die zweiten Kanäle 20 im Verhältnis zu dem Volumenstrom durch eine externe Zirkulationsleitung 30 kann mit Hilfe der Erfindung die Verweilzeit im Dispergierraum des Rotor-Stator-Systems kann eingestellt werden. Damit verbunden sind Vorteile im Hinblick auf CGMP, Nachhaltigkeit und Industrie 4.0.
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Der interne Kreislauf kann Flüssigkeiten mit einem niedrigen Flüssigkeitsstand im Behälter verarbeiten, der bis zu 10 % der gesamten Chargengröße betragen kann und dennoch einen sicheren und zuverlässigen Betrieb ermöglicht.
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In Vergleichsversuchen wurden eine oder mehrere interne Zirkulationsbohrungen 20 mit jeweils einer automatisierten Absperrklappe 23 in ein Homogenisatorgehäuse mit sehr geringem Stauvolumen integriert. Es hat sich dabei insbesondere gezeigt, dass aufgrund der Unterschiede im vertikalen Teil der Zirkulationsleitung durch die Erfindung Einsparungen realisiert werden können.
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In der folgenden Tabelle sind die relevanten Angaben zu Vergleichsversuchen an einem Vakuum-Mischer zusammengefasst, welche mit einer Anlage mit zwei zweiten Kanälen als interne Zirkulationsleitungen gemäß der Erfindung durchgeführt wurden sowie mit einer Anlage mit einer externen Zirkulationsleitung. Im Volumenvergleich wurde dabei nur der vertikal verlaufende Abschnitt der externen Zirkulationsleitung berücksichtigt, welcher also in derselben Richtung verläuft wie die zweiten Kanäle.
| Leistung bei maximalem Durchfluss | Volumen zweier zweiter Kanäle als interner Zirkulationsleitung | Volumen einer externen Zirkulationsleitung in ihrem vertikalen Teil | Volumen des Vorlage- behälters |
| 11 KW / 10 m3/h | 2x DN 20 / 0.08 Itr | DN 40 / 0.7 Itr | 10 - 30 Itr |
| 22KW / 35m3/h | 2x DN 40 / 0.25 Itr | DN 80 / 6.5 Itr | 500 - 1.000 Itr |
| 30KW / 55m3/h | 2x DN 40 / 0.35 Itr | DN 100 / 15 Itr | 1.500 - 2.000 Itr |
| 45KW / 75m3/h | 2x DN 50 / 0.8 Itr | DN 125 / 30 Itr | 3.000 - 5.000 Itr |
| 55KW / 95m3/h | 2x DN 50 / 0.8 Itr | DN 125 / 30 Itr | 6.000 - 10.000 Itr |
| 75KW/ 125m3/h | 2x DN 65 / 1.6 Itr | DN 150 / 45 Itr | 12.000 - 20.000 Itr |
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Beispielrechnung zum Einsparpotential
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Verwendet wird ein Vorlagenbehälter mit einem Fassungsvermögen von 4.000 Litern. Die Anlage wurde über 250 Arbeitstage mit einer Charge pro Tag betrieben. Die Endproduktkosten wurden mit 5 Euro pro Liter angesetzt. Der Verlust an Produkt betrug 29, 2 Liter. Dies ergibt 146 Euro pro Tag an 250 Tagen pro Jahr und damit eine Einsparung in Höhe von 36.500 pro Jahr.
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Während bekannte Systeme ein größeres Speichervolumen („hold up“-Volumen), was zu größeren Produktverlusten führt und die Reinigung erschwert. Die Erfindung minimiert demgegenüber die Verluste durch die Verwendung von zumindest einem zweiten Kanal. Je nach Anlagengröße können insbesondere ein zweiter Kanal oder bis zu vier solche internen Zirkulationsleitung verwendet werden. Diese können mit integrierten Klappenventilelementen, die in das Gehäuse des Homogenisators eingebaut sind, ausgerüstet sein. Die Bohrungen beziehungsweise der zweite Kanal oder die zweite Kanäle verbinden die Druckseite des Rotor-Stator-Systems mit dem Boden des Vorlagebehälters (vergleiche 4).
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Im Inneren des Vorlagebehälters befindet sich in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung über jeder Bohrung 20 eine Umlenkklappe 21, die im Betrieb den Flüssigkeitsstrom über den Boden 101 des Behälters 100 leitet, um Spritzer zu vermeiden.
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Durch die Vorwahl der Arbeitsposition zwischen internem Kreislauf durch den Kanal 20 oder die Kanäle 20 und externem Kreislauf durch den Kanal 30 oder die Kanäle 30 kann über den Produktionsmodus entscheiden werden.
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Die Drosselelemente 21 entsprechen dem Hygienestandard und sind insbesondere FDA-zugelassen. Sie sind die Komponenten zur Umlenkung des Flusses vom internen zum externen Kreislauf. Um einen Rückstau im Homogenisatorgehäuse zu erzeugen, der den Durchfluss durch die Kanäle 20 des internen Kreislaufs gewährleistet, wird das Ventil 33 des externen Kreislaufs geschlossen (vergleiche 4).
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Die Umleitungsventile 23 können manuell oder automatisch durch Stellantriebe betätigt werden. Das System ist einfach, geradlinig, wartungsfreundlich mit Standard-Ersatzteilen nach DIN 11850-R2, oder ISO, benutzerfreundlich, CIP reinigbar und hat ein minimales Rückhaltevolumen. Der Sitz einer Absperrklappe oder aller Absperrklappen 23 ist direkt in das Gehäuse des Homogenisators eingearbeitet. Insbesondere ist der Sitz einer Absperrklappe oder aller Absperrklappen im jeweiligen zweiten Kanal 20 beabstandet vom ersten Kanal 10 zwischen der ersten Begrenzungsfläche 11 und der zweiten Begrenzungsfläche 12 angeordnet.
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Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern vielmehr in vielfältiger Weise variiert werden kann. Insbesondere können die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele auch miteinander kombiniert oder gegeneinander ausgetauscht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bodenelement
- 11
- erste äußere Begrenzungsfläche
- 12
- zweite äußere Begrenzungsfläche
- 111
- erstes oder oberes Element des Bodenelements 1
- 112
- zweites oder unteres Element des Bodenelements 1
- 100
- Vorlagebehälter
- 101
- Bodenfläche 101 des Vorlagebehälters 100
- 2
- Stator
- 3
- Mittel zum Verbinden mit einem Stator 2 eines Rotor-Stator-Systems
- 10
- erster Kanal
- 20
- zweiter Kanal, interne Ziurkulationsleitung, Zirkulationsbohrung, Bohrung
- 23
- Absperrklappe, Butterfly-Ventil, Umleitungselement
- 21
- Drosselklappe
- 30
- dritter Kanal, externe Zirkulationsleitung
- 31
- Einlass des dritten Kanals
- 32
- Auslass des dritten Kanals, Mündung in den Vorlagebehälter
- 33
- Verschluss für den dritten Kanal, Ventil
- 4
- Rotor-Stator-System, Homogenisator
- 40
- Gehäuse des Rotor-Stator-Systems bzw. des Homogenisators
- 42
- Flansch
- 5
- Antriebsmotor
- 6
- Durchflussmesser
- 60
- Durchflussmesser
- 7
- Drucksensor
- 8
- Spindel zum Öffnen/Schließen von 23
- 9
- Antrieb für Kratz(rühr)er
- 90
- Kratzrührer
- 10
- Antrieb für Propellerrührer
- 1000
- Propellerrührer
- L
- Längsachse
