DE4310680A1 - Sterilisierbare Antriebseinheit für Rührapparate - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine sterilisierbare Antriebseinheit für Rührapparate, insbesondere für sterilbetriebene Rührfermentoren. Es ist allgemein bekannt, daß bei Antriebseinheiten für Rührappa­ rate in der Regel herkömmliche Elektromotoren, Hydraulikmotoren u. a. zum Einsatz kommen, die direkt oder über Kupplung und Ge­ triebe mit der Rührwelle verbunden sind. Diese Antriebseinheiten erfordern einen hohen Bauelementen- und Fertigungsaufwand. Insbe­ sondere der Aufwand für funktionsgerechte Wellenabdichtungen ist erheblich. So müssen Gleitringdichtungen mit Sperrdrucksystemen eingesetzt werden, die eine volle Betriebssicherheit nur bedingt ermöglichen. Von Nachteil ist weiterhin, daß auf Grund der Ar­ beitscharakteristik der Antriebseinheit bei einem großen Stellbe­ reich der Drehzahl der Wirkungsgrad und die Momentenkennlinie nicht optimal aufeinander abstimmbar sind. Die Antriebseinheit besitzt außerdem hohe Massen und ungünstige Geometrien.

Die Wellenabdichtung der Antriebseinheit am Behälter kann durch eine Magnetkupplung, die hermetisch gekapselt ist, umgangen wer­ den (Chemie-Technik, 19. Jahrgang (1990), Nr. 6).

Die übertragbaren Momente sind hier jedoch begrenzt, so daß Mag­ netkupplungen nur für geringe Übertragungsleistungen geeignet sind. Außerdem werden die Bauhöhe einer solchen Antriebseinheit sowie ihr Gewicht und hierdurch bedingt die Bauhöhe des Rührappa­ rates negativ beeinflußt.

Eine neuartige Antriebseinheit verwendet einen Motor, der nach dem Prinzip des Linearmotors arbeitet (DE 39 42 679). Der Primär­ teil des Motors ist hierbei mit dem Gehäuse des Rührapparates und der Sekundärteil mit der Welle des Rührorgans verbunden bzw. Letztgenannter bildet selbst das Rührorgan.

Dieser Motor ist ein Induktionsmotor, der hohe Drehzahlen bei ge­ ringen Kräften zuläßt, jedoch ist er bei der Notwendigkeit von höheren Krafteinträgen, was in der Rührtechnik meist üblich ist, nicht geeignet. Auch besitzt er einen geringen Wirkungsgrad, ins­ besondere hervorgerufen durch die Umwandlung seiner Linear- in die geforderte Drehbewegung und den damit verbundenen Verlusten. Verschiedene Rührprozesse erfordern eine hermetische Kapselung der Antriebseinheit und sterile Bedingungen, und somit muß eine Sterilisierbarkeit des Rührapparates einschließlich Antriebsein­ heit gewährleistet sein.

Wenig problematisch ist das Sterilisieren der Magnetkupplung und von einigen Ausführungsformen des Linearmotors. Doch die bereits genannten Nachteile lassen ihre Verwendung bei verschiedenen Rührprozessen, Rührmedien, Rührapparaten, insbesondere großen Rührapparaten, wie Rührfermentoren, kaum zu.

Es werden deshalb die erstgenannten Antriebseinheiten in der Re­ gel eingesetzt und die Rührwellenabdichtungen steril gestaltet. So ist eine Lösung bekannt (DE 2 65 768), bei der die Rührwellen­ abdichtung eine besonders gestaltete doppelwirkende Gleitring­ dichtung ist, die um den produktseitigen Gleitring eine rotieren­ de Flüssigkeitstasse und um den atmosphärischen Gleitring einen als Flüssigkeitstasse wirkenden stationären Bund besitzt. Am Um­ fang der rotierenden Flüssigkeitstasse ist ein Fördergewinde an­ gebracht, welches einen Sperraum teilt und zwischen diesen Teil­ räumen eine Wirkverbindung gewährleistet.

In der Sterilisationsphase erfolgt ein Durchströmen der Gleit­ ringdichtung mit Dampf, welcher mittels des Fördergewindes im Sperraum eine zusätzliche Drallströmung erhält und somit einen guten Wärmeübergang an allen zu sterilisierenden Dichtungsteilen bewirkt.

Der Aufwand für die doppeltwirkende Gleitringdichtung unter Be­ rücksichtigung ihrer Sterilisierbarkeit ist zu groß, was sich ne­ gativ in den Kosten niederschlägt.

Es steht die Aufgabe, eine Antriebseinheit für Rührapparate zu schaffen, die hermetisch abgeschlossen ist, sich durch geringes Gewicht und Bauhöhe, durch einen hohen Wirkungsgrad, gute Regel­ barkeit und Übertragung hoher Drehmomente sowie geringen Abdich­ tungs- und Sterilisierungsaufwandes auszeichnet.

Bei der Antriebseinheit kommt ein neuartiger Multipler-Elektronik- Dauermagnet-Motor, ein sogenannter MM-Motor, zur Anwendung. Dieser MM-Motor ist ein permanent erregter schleifringloser Synchronmo­ tor, der primär mit pulsierender Gleichspannung gespeist wird und der vom Stillstand bis zu seiner jeweiligen Drehzahl elektronisch durch Frequenzvariation regelbar ist.

Die Anbringung des MM-Motors erfolgt so, daß das Gehäuse des MM- Motors über eine Laterne unter Bildung eines Zwischenraumes mit einem Lagerträger, der am Rührbehälterflansch angeschraubt ist, befestigt ist. Gleichzeitig ist im Gehäuse des MM-Motors ein La­ ger integriert, und es erfolgt eine starre Verbindung von der Ro­ torwelle des MM-Motors und der Rührwelle. Der Lagerträger be­ sitzt ebenfalls ein Lager und gegebenenfalls eine Produktabschir­ mung. Zwecks Gewährleistung der Sterilisation der gesamten An­ triebseinheit sind im Lagerträger als auch im Gehäuse des MM-Mo­ tors einen Dampfstrom zwischen außen, Motorinnen- und Zwischen­ raum unter Einbeziehung des Rührbehälterinnenraumes gewährlei­ stende Dampfführungen eingearbeitet. Vom Dampfaustritt bis in ei­ ne Höhe über dem Lager führt eine Steigleitung, die zu einer Falleitung mit Kondensomat übergeht.

Die Gestaltung der Antriebseinheit unter Einbeziehung des MM-Mo­ tors, der z. B. aus der Kraftfahrzeugtechnik bekannt ist, ermög­ licht es, daß ein hochwertiger Motor für die Rührtechnik er­ schlossen wurde. Sie bewirkt nicht nur eine Kostendämpfung der Rührapparate, sondern auch eine bessere Beherrschung der vielfäl­ tigsten Rührprobleme, insbesondere auch solcher, die unter steri­ len Bedingungen durchgeführt werden müssen. Abdichtungsprobleme treten bei der Antriebseinheit nicht mehr auf.

Der MM-Motor besitzt ein geringes Gewicht und Bauvolumen, eine hohe Antriebsenergiedichte, einen hohen Wirkungsgrad, volle Re­ gelbarkeit, hohe Wartungsfreiheit, extreme Vibrationsarmut und minimale Lärmemission. Diese Eigenschaften werden bei der Ausle­ gung der Rührapparate und der verfahrenstechnischen Abläufe posi­ tiv berücksichtigt. Der Einsatz der Antriebseinheit ist aber nicht nur auf herkömmliche Rührapparate beschränkt. Sie ist auch für andere Apparate mit mechanischem Krafteintrag geeignet, bei denen u. a. die Forderung nach hermetischer Kapselung des An­ triebes steht. Solche Apparate sind z. B. Reaktoren und Rota­ tionsdünnschichtapparate.

Bei einer sterilen Fahrweise der Rührapparate, was beispielsweise bei Sterilfermentoren der Fall ist, egal ob mit Ober- oder Unter­ antrieb, eignet sich die Antriebseinheit besonders. Das innere der Antriebseinheit, also auch das innere des MM-Motors und die Lager können leicht sterilisiert werden. Diese Sterilität kann durch einen entsprechenden Kondensatstand im Zwischenraum der Antriebseinheit längere Zeit aufrechterhalten werden, ohne daß komplizierte Regeleinrichtungen und Bauteile zum Einsatz kommen.

Eine ausführliche Beschreibung der Antriebseinheit erfolgt noch­ mals anhand einer Zeichnung. Hier zeigt

Fig. 1 eine sterilisierbare Antriebseinheit, die als Oberan­ trieb ausgebildet ist,

Fig. 2 die Antriebseinheit als Unterantrieb.

Ein großer Fermentor ist mit einer Antriebseinheit ausgerüstet, die den technischen Anforderungen, wie Krafteintrag, Drehzahlre­ gelung, Sterilisierbarkeit usw., entspricht. Wie aus Fig. 1 er­ sichtlich, ist bei einem Oberantrieb auf dem Behälterflansch 1 ein Lagerträger 2 befestigt, der zwecks Führung der Rührwelle 3 mit den Rührorganen 4 ein Loslager 5 und zwecks Vermeidung des Eintrittes von Produkt aus dem Behälterraum 6 in die Antriebsein­ heit eine Produktabschirmung 7 aufnimmt. Da der Druck in der An­ triebseinheit dem des Behälterinnenraumes 6 entsprechen kann, wird keine Druckabdichtung realisiert. Eine Laterne 8 verbindet den Lagerträger 2 mit dem unteren Gehäuseteil des MM-Motors, in welchem ein Festlager 9 integriert ist, und umschließt gleichzei­ tig einen Zwischenraum 10. Der MM-Motor, dessen Rotor 11 starr mit der Rührwelle 3 verbunden ist, ist ein permanent erregter, schleifenringloser Synchronmotor, der primär mit pulsierender Gleichspannung gespeist wird.

Die Permanentmagnete befinden sich in dichter Folge auf dem Um­ fang des Rotors 11 und sind aus einem Magnetwerkstoff mit hoher magnetischer Dichte. Der Stator besteht aus einer Vielzahl von Spulenpaketen 13, die von einer Elektronik angesteuert werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Asynchronmotoren wird keine Ener­ gie benötigt, um durch Induktion ein Magnetfeld im Rotor zu er­ zeugen. Es entfällt also hier der Blindstrom und das Entstehen von Magnetisierungsgeräuschen. Der MM-Motor besitzt ein wesent­ lich geringeres Bauvolumen als ein herkömmlicher Motor. Da das Raumvolumen für eine konvektive Kühlung nicht ausreicht, ist der MM-Motor mit einer Zwangskühlung versehen, die die ständige opti­ male Betriebstemperatur des MM-Motors und damit seinen Wirkungs­ grad bis zu 98% ermöglicht.

Zwecks Sterilisierung der Antriebseinheit wird das Ventil 14a ge­ öffnet und Dampf durchströmt das Innere des MM-Motors und gelangt von dort über eine Kurzschlußleitung 15a im unteren Gehäuseteil des MM-Motors und über den Festlagerspalt in den Zwischenraum 10. Durch entsprechende Dimensionierung der Kurzschlußleitung 15a kann die erforderliche Dampfströmung in Abhängigkeit vom Festla­ gerspalt optimiert werden. Der Dampf entweicht dann über die Kurzschlußleitung 15b, durch den Lagerspalt vom Loslager 5 und über Austrittsleitung 16 in eine Steigleitung 17. Damit ist ge­ währleistet, daß der gesamte nach außen abgeschlossene Innenraum der Antriebseinheit von Dampf durchströmt und sterilisiert wird. Nach Abschluß der Sterilisation wird über Ventil 14c die Aus­ trittsleitung 16 geschlossen, so daß es zur Kondensatbildung im Zwischenraum 10 kommt. Durch die Steigleitung 17, deren Höhe über die des Festlagers 9 im MM-Motor reicht, und der folgenden Fall­ leitung 18 in Verbindung mit einem eingebauten Kondensomat 19 wird automatisch bei geöffnetem Ventil 14a ein Kondensatstand bis über das Festlager 9 eingestellt, so daß neben dem Loslager 5 auch das Festlager 9 geschmiert wird. Überschüssiges Kondensat wird über den Kondensomat 19 abgelassen, was manuell über Ventil 14b beeinflußt werden kann.

Durch Unterbrechung der Dampfzufuhr kann der Dampfverbrauch redu­ ziert werden, da nach Ansprechen des Kondensomaten 19 das innere der Antriebseinheit als gefüllt anzusehen ist. Jedoch muß eine Nachkondensation bei Dampfzufuhr angestrebt werden, da über Fest­ lagerspalt einschließlich Produktabschirmung 7 Kondensat verloren gehen kann, so daß das Festlager 9 gefährdet wäre.

Beim Einsatz eines Unterantriebes für den Fermentor hat, wie aus Fig. 2 erkennbar, die Antriebseinheit den gleichen Aufbau, jedoch gibt es in der Dampfführung einige geringfügige Unterschiede. Die Dampfführung erfolgt erst über den Loslagerspalt einschließlich Kurzschlußleitung 15b in den Zwischenraum 10 und dann über Fest­ lagerspalt einschließlich Kurzschlußleitung 15a nach Durchströ­ men des Innenraumes des MM-Motors in die Steigleitung 17. Die Höhe der Steigleitung 17 orientiert sich jetzt an dem Loslager 5.

Bezugszeichenliste

1 Behälterflansch
2 Lagerträger
3 Rührwelle
4 Rührorgan
5 Loslager
6 Behälterraum
7 Produktabschirmung
8 Laterne
9 Festlager
10 Zwischenraum
11 Rotor des MM-Motors
12 Permanentmagnete
13 Spulenpakete
14a; b; c Ventile
15a; b Kurzschlußleitungen
16 Austrittsleitung
17 Steigleitung
18 Falleitung
19 Kondensomat

Claims (1)

1. Sterilisierbare Antriebseinheit für Rührapparate, bestehend aus einem am Rührbehälterflansch angebrachten, ein Lager und gegebe­ nenfalls eine Produktabschirmung aufnehmenden Lagerträger und ei­ nen im Abstand dazu befindlichen, in Verbindung mit einer Later­ ne einen Zwischenraum begrenzenden Motor, dessen Rotor direkt mit der Rührwelle verbunden ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

   • - der Motor ein permanent erregter schleifringloser Synchronmotor ist, der primär mit pulsierender Gleichspannung gespeist wird und der vom Stillstand bis zu seiner jeweiligen Nenndrehzahl elektronisch durch Frequenzvariation regelbar ist;
   • - im Gehäuse des Motors ein Lager (9) integriert ist;
   • - im Lagerträger (2) als auch im Gehäuse des Motors einen Dampf­ strom zwischen außen, Motorinnen- und Zwischenraum (10) unter Einbeziehung des Rührbehälterinnenraumes gewährleistende Dampf­ führungen eingearbeitet sind;
   • - außen eine Steigleitung (17), beginnend vom Dampfaustritt bis in eine Höhe über dem Lager (9), zu einer Falleitung (18) mit Kondensomat (19) geführt wird.