DE4310680A1

DE4310680A1 - Sterilisable drive unit for stirrers

Info

Publication number: DE4310680A1
Application number: DE4310680A
Authority: DE
Inventors: Herrmann Dr Ing Schindler; Erhard Dr Ing Schroen; Gerd Dipl Ing Wuestefeld
Original assignee: CHEMA BALCKE DUERR VERFAHRENST
Current assignee: CHEMA BALCKE DUERR VERFAHRENST
Priority date: 1993-04-01
Filing date: 1993-04-01
Publication date: 1994-10-06

Abstract

In the drive unit, use is made of a special multiplex-electronic permanent-magnet motor, the housing of which is connected to the flange of the stirring container by way of a bell and a bearing flange and the rotor shaft of which is connected to the stirring shaft. Integrated into its housing is a bearing. To ensure a flow of steam for sterilisation, appropriate steam guides are machined into the drive unit. The drive unit is used for stirrers, especially for stirred fermenters operated under sterile conditions and having a top or bottom drive.

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.The invention relates to a sterilizable drive unit for Stirrers, in particular for sterile-operated stirring fermentors. It is generally known that in drive units for Rappappa usually rate conventional electric motors, hydraulic motors u. a. are used, directly or via coupling and Ge drives are connected to the agitator shaft. These drive units require high component and manufacturing costs. In particular special is the effort for functional shaft seals considerably. So mechanical seals with barrier pressure systems can be used, the full operational safety only conditionally enable. Another disadvantage is that due to the Ar characteristic of the drive unit for a large control area the speed, the efficiency and the torque characteristic are not optimally coordinated. The drive unit also has high masses and unfavorable geometries.

Die Wellenabdichtung der Antriebseinheit am Behälter kann durch eine Magnetkupplung, die hermetisch gekapselt ist, umgangen wer den (Chemie-Technik, 19. Jahrgang (1990), Nr. 6).The shaft seal of the drive unit on the container can be a magnetic coupling that is hermetically encapsulated bypasses anyone den (Chemie-Technik, 19th year (1990), No. 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.The transmissible moments are limited here, however, so that Mag net couplings only suitable for low transmission powers are. In addition, the overall height of such a drive unit as well as their weight and thereby the overall height of the mixer rates adversely affected.

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.A novel drive unit uses a motor that follows works on the principle of the linear motor (DE 39 42 679). The primary part of the motor is here with the housing of the mixer and the secondary part is connected to the shaft of the stirring element or The latter itself forms the agitator.

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.This motor is an induction motor, the high speeds at ge forces, but he is in need of higher force inputs, which is usually common in stirring technology, not suitable. It also has a low efficiency, ins special caused by the conversion of its linear to the required rotational movement and the associated losses. Different stirring processes require hermetic encapsulation the drive unit and sterile conditions, and thus a Sterilization of the stirrer including drive be guaranteed.

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.Sterilizing the magnetic coupling and is not a problem of some embodiments of the linear motor. But already Disadvantages mentioned allow their use in various Stirring processes, stirring media, stirrers, especially large ones Stirring devices, such as stirring fermentors, hardly ever.

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.It is therefore the first drive units mentioned in the Re gel used and the stirring shaft seals designed sterile. A solution is known (DE 2 65 768) in which the agitator shafts sealing a specially designed double-acting slide ring seal that rotates around the product-side slide ring en liquid cup and around the atmospheric slide ring has a stationary collar acting as a liquid cup. On order At the beginning of the rotating liquid cup there is a delivery thread brought, which divides a space and between this part clear an active connection guaranteed.

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.In the sterilization phase, the glide flows through ring seal with steam, which by means of the conveyor thread in the Sperraum receives an additional swirl flow and thus one good heat transfer on all sealing parts to be sterilized causes.

Der Aufwand für die doppeltwirkende Gleitringdichtung unter Be rücksichtigung ihrer Sterilisierbarkeit ist zu groß, was sich ne gativ in den Kosten niederschlägt.The effort for the double-acting mechanical seal under Be considering their sterilizability is too big, which is ne negative impact on costs.

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.The task is to provide a drive unit for stirrers create that is hermetically sealed by little Weight and height, due to high efficiency, good rule Ability and transmission of high torques and low sealing equipment and sterilization effort.

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.The drive unit comes with a new type of multiplier electronics Permanent magnet motor, a so-called MM motor, for use. This MM motor is a permanently excited synchronous motor without slip rings gate, which is primarily fed with pulsating DC voltage and the electronic from standstill to its respective speed can be regulated by frequency variation.

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.The MM motor is attached so that the housing of the MM Motors over a lantern with the formation of a space a bearing bracket, which is screwed to the stirred tank flange, is attached. At the same time there is a La in the housing of the MM motor ger integrated, and there is a rigid connection from the Ro Tor shaft of the MM motor and the agitator shaft. The bearing bracket be there is also a warehouse and possibly a product shield mung. To ensure sterilization of the entire drive unit are in the bearing bracket as well as in the housing of the MM-Mo tors a steam flow between the outside, inside and between the engine Ensure space including the interior of the mixing tank Constant steam guides incorporated. From the steam outlet to an egg ne height above the camp leads a riser that leads to a Down pipe with condensate passes over.

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.The design of the drive unit including the MM-Mo tors, the z. B. is known from automotive technology, made possible it is clear that a high-quality motor for agitator technology was closed. It not only reduces costs Agitators, but also better control of the variety Most stirring problems, especially those under steri conditions must be carried out. Sealing problems no longer occur in the drive unit.

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.The MM motor has a low weight and volume, one high drive energy density, high efficiency, full re gelability, high maintenance freedom, extreme low vibration and minimal noise emission. These properties are in the Ausle stirrers and process engineering processes posi taken into account. The use of the drive unit is however not just limited to conventional stirrers. she is also suitable for other devices with mechanical force input, at to which u. a. the requirement for hermetic encapsulation of the An instinct stands. Such devices are e.g. B. reactors and rota thin film apparatus.

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.In a sterile mode of operation of the stirrers, what for example is the case with sterile fermentors, regardless of whether with upper or lower drive, the drive unit is particularly suitable. The inner the drive unit, including the inside of the MM motor and the Bearings can be easily sterilized. This sterility can through a corresponding condensate level in the space between the Drive unit can be maintained for a long time without complicated control devices and components are used.

Eine ausführliche Beschreibung der Antriebseinheit erfolgt noch mals anhand einer Zeichnung. Hier zeigtA detailed description of the drive unit is still given times based on a drawing. Here shows

Fig. 1 eine sterilisierbare Antriebseinheit, die als Oberan trieb ausgebildet ist, Fig. 1 a sterilizable drive unit operating as Oberan is formed,

Fig. 2 die Antriebseinheit als Unterantrieb. Fig. 2 shows the drive unit as an underdrive.

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. A large fermentor is equipped with a drive unit that meets technical requirements such as force input, speed control, sterilizability, etc. As is evident from Fig. 1, it is attached to a top drive on the container flange 1, a bearing bracket 2 , the purpose of guiding the agitator shaft 3 with the stirring elements 4, a floating bearing 5 and in order to avoid the entry of product from the container space 6 in the Antriebsein unit Product shield 7 takes. Since the pressure in the drive unit can correspond to that of the container interior 6 , no pressure sealing is implemented. A lantern 8 connects the bearing bracket 2 with the lower housing part of the MM motor, in which a fixed bearing 9 is integrated, and at the same time encloses an intermediate space 10 . The MM motor, the rotor 11 of which is rigidly connected to the agitator shaft 3 , is a permanently excited, ringless synchronous motor which is primarily fed with pulsating DC voltage.

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.The permanent magnets are in close succession on the order of the rotor 11 and are made of a magnetic material with high magnetic density. The stator consists of a large number of coil packs 13 which are controlled by electronics. In contrast to conventional asynchronous motors, no energy is required to generate a magnetic field in the rotor by induction. So there is no reactive current and no magnetizing noises. The MM motor has a much smaller overall volume than a conventional motor. Since the room volume is not sufficient for convective cooling, the MM motor is provided with forced cooling, which enables the constant optimal operating temperature of the MM motor and thus its efficiency up to 98%.

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.For the purpose of sterilizing the drive unit, the valve 14 a is opened and steam flows through the inside of the MM motor and from there passes through a short-circuit line 15 a in the lower housing part of the MM motor and via the fixed bearing gap into the intermediate space 10 . By appropriate dimensioning of the short-circuit line 15 a, the required steam flow can be optimized as a function of the fixed gap. The steam then escapes b via the short-circuit line 15, through the bearing gap of the non-locating bearing 5 and outlet conduit 16 into a riser 17th This ensures that steam flows through the entire interior of the drive unit, which is closed off from the outside, and is sterilized. After completion of the sterilization, the outlet line 16 is closed via valve 14 c, so that condensate formation in the intermediate space 10 occurs. Through the riser 17, its height above that of the fixed bearing 9 in the MM motor suffices and the following case, line 18 in conjunction with a built-in steam trap 19 is automatically a condensate prior to via the bearing 9 is set with an open valve 14, so that in addition the floating bearing 5 and the fixed bearing 9 is lubricated. Excess condensate is drained through the condensate 19 , which can be influenced manually via valve 14 b.

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.By interrupting the supply of steam, the steam consumption can be redu sheet, since the interior of the drive unit is considered to be filled after the response of the steam traps 19th However, post-condensation with steam supply must be sought, since condensate can be lost via the fixed bearing gap including product shielding 7 , so that the fixed bearing 9 would be endangered.

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.When using a lower drive for the fermentor, as can be seen from FIG. 2, the drive unit has the same structure, but there are some slight differences in the steam guidance. The steam flow takes place only via the floating bearing gap including short-circuit line 15 b into the space 10 and then via the fixed bearing gap including short-circuit line 15 a after flow through the interior of the MM motor in the riser line 17th The height of the riser 17 is now based on the floating bearing 5 .

BezugszeichenlisteReference list

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 1 container flange
2 bearing brackets
3 agitator shaft
4 stirrer
5 floating bearings
6 container space
7 Product shielding
8 lantern
9 fixed bearings
10 space
11 MM motor rotor
12 permanent magnets
13 coil packages
14 a; b; c valves
15 a; b short-circuit lines
16 outlet line
17 riser
18 downpipe
19 condensate

Claims

Sterilizable drive unit for agitators consisting mounted from an on Rührbehälterflansch, a bearing and, where appropriate, a product shield receiving bearing carrier and egg nen at a distance therefrom, situated in connection with an Later ne a gap limiting motor whose rotor is directly connected to the agitator shaft, characterized marked that

- The motor is a permanently excited slip ring-free synchronous motor, which is primarily fed with pulsating DC voltage and which can be controlled electronically by frequency variation from standstill up to its respective nominal speed;
- A bearing ( 9 ) is integrated in the housing of the motor;
- In the bearing bracket ( 2 ) as well as in the housing of the engine, a steam flow between the outside, engine interior and intermediate space ( 10 ), including the interior of the mixing vessel, ensuring steam guides are incorporated;
- Outside a riser pipe ( 17 ), starting from the steam outlet up to a height above the bearing ( 9 ), is led to a down pipe ( 18 ) with condensate ( 19 ).