EP0427988B1

EP0427988B1 - Membranpumpe

Info

Publication number: EP0427988B1
Application number: EP90120510A
Authority: EP
Inventors: Harald Dr. Dipl.-Biol. Schnepple; Gert Semler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1989-11-14
Filing date: 1990-10-25
Publication date: 1992-12-30
Anticipated expiration: 2010-10-25
Also published as: DE59000693D1; ATE84122T1; DE3937847C1; EP0427988A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe, insbesondere für Anlagen der biologischen Verfahrenstechnik, Lebensmitteltechnik und Medizintechnik gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Anlagen der biologischen Verfahrenstechnik, die auch als Bioreaktoren bezeichnet werden, sind häufig Vorrichtungen zur Einspeisung flüssiger Substanzen, wie Korrekturmittel, in den Reaktionsbehälter vorgesehen. Die Dosierung des einzuspeisenden Korrekturmittels erfolgt dabei in den meisten Fällen entweder über Schlauchpumpen oder aber über fremdgesteuerter Membranventile in Verbindung mit einem druckbeaufschlagten Vorlagenbehälter. Beide Anordnungen lassen sich, was eine der wichtigsten Voraussetzungen für die erfolgreiche Durchführung biologischer Verfahren ist, mit Hilfe gängiger Methoden hinreichend gut sterilisieren. Die Sterilisation erfolgt dabei in der Regel mittels Heißdampf, der in die zu sterilisierenden Bereiche einer solchen Anlage eingeleitet wird. Ein derartiger Sterilisationsvorgang mittels Heißdampf ist, allerdings im Zusammenhang mit einer als Dosierpumpe für Milch und Milchprodukte dienenden Kolbenpumpe mit zwangsgesteuerten Ein- und Auslaßventilen, in der DE-AS 28 14 086 beschrieben. Ein Reinigungsmedium bzw. der Heißdampf wird bei dieser bekannten Vorrichtung anstelle der Milch in der Förderrichtung durch die zu reinigenden Anlagenkomponenten geleitet.
Als nachteilig hat sich bei den zuvor beschriebenen dosierbaren Zuführeinrichtungen für Korrekturmittel ihre vergleichsweise geringe Fördergenauigkeit erwiesen, die sich zugleich auch negativ auf die Durchführung der biologischen Prozesse auswirkt und die nur durch eine vergleichsweise aufwendige, zusätzlich durchgeführte Volumenstrommessung kompensiert werden kann.
Aus diesem Grund ist bereits der Einsatz von Membrandosierpumpen zu diesem Zweck vorgeschlagen worden. Der Einsatz dieses Pumpentyps für biotechnologische Prozesse blieb bisher jedoch weitgehend auf den Labormaßstab beschränkt, wobei der mit dem Reaktionsprodukt des Prozesses in Verbindung stehende Pumpenkopf der Membranpumpe üblicherweise in einem Autoklaven separat sterilisiert wird.
Bei stationär betrieben Anlagen erfolgt die Sterilisation der Verbindungsleitung zwischen dem Reaktionsbehälter und dem der Dosiereinrichtung nachgeschalteten Vorlagenbehälter für das Korrekturmittel in der Regel in der Weise, daß der Dampf am obersten Punkt der Leitung, in der Nähe des Reaktionsbehälters, in die Verbindungsleitung eingespeist wird und diese dann entgegen der Förderrichtung des Korrekturmittels dem natürlichen Gefälle folgend durchströmt, wobei das entstehende Kondensat am tiefsten Punkt der Anordnung ausgetragen wird. Da jedoch bei Membranpumpen der gattungsgemässen Art aufgrund selbstschließender Einlaß- und Auslaßventile die Förderrichtung vorgegeben ist, würde bei Verwendung einer solchen Pumpe der Kondensatabfluß während des Sterilisationvorgangs blockiert und eine erfolgreiche Sterilisation der Anordnung unmöglich werden. Zwar ist aus der US-PS 38 02 807 eine Membranpumpe gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt geworden, die eine zusätzliche Bypassleitung aufweist, welche bei Bedarf oder periodisch zur Spülung der Pumpe über ein separates Ventil beaufschlagt werden kann und bei der ferner eine zusätzliche Ablaßschraube zur Entleerung des Pumpenraumes vorgesehen ist, jedoch ermöglicht auch diese Anordnung keine Heißdampfsterilisation entsprechend der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise, bei der das Reinigungsmedium die Dosierpumpe entgegen der Förderrichtung erfolgt.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Membranpumpe der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß sie durch einen Sterilisationsprozeß vollständig sterilisierbar ist, bei dem der für diesen Vorgang verwendete Heißdampf die Pumpe entgegen der für das zu dosierende Medium vorgesehenen Förderrichtung durchströmt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Membranpumpe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung im Hinblick auf einen möglichst einfachen Aufbau sowie auf eine möglichst weitgehende Vereinfachung des Sterilisationsvorgangs sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Fließschema einer in-situ Sterilisation einer Verbindungsleitung für einen Reaktionsbehälter,
Fig. 2 und 3 je einen Vertikalschnitt durch eine Membranpumpe in zwei verschiedenen Betriebsstellungen,
Fig. 4 einen Schnitt durch einen Teilbereich einer zweiten Membranpumpe und
Fig. 5 einen Schnitt durch einen Teilbereich einer dritten Membranpumpe.

In den Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung zeigt einen Reaktionsbehälter 1 zur Durchführung biotechnologischer Verfahren, dem über eine Verbindungsleitung 2 ein in einem Vorlagehälter 3 befindliches flüssiges Korrekturmittel zugesetzt werden kann.
Förderung und Dosierung des Korrekturmittels erfolgen dabei über eine Membranpumpe 4. Zur Sterilisation der Verbindungsleitung 3 sowie der Membranpumpe 4 ist in der Nähe des Reaktionsbehälter 1 ein Einspeisepunkt für Heißdampf vorgesehen. Dieser durchströmt im Zuge der Sterilisation die Verbindungsleitung 2 in einer Richtung, die entgegengesetzt zur Förderrichtung des Korrekturmittels - durch ausgezogene Pfeile angedeutet - verläuft und die in der Figur durch gestrichelte Pfeile gekennzeichnet ist. Das entstehende Kondensat gelangt über eine weitere Verzweigung der Verbindungsleitung 2 in einen Auffangbehälter 5. Die Förderung des Korrekturmittels sowie die Einspeisung und Weiterleitung des Dampfes werden dabei über insgesamt vier Ventile 6 bis 9 gesteuert, die in den unterschiedlichen Zweigen der Verbindungsleitung angeordnet sind und von denen sich jeweils zwei im geöffneten und zwei in geschlossenem Zustand befinden.
Die Darstellung in Fig. 2 zeigt die Membranpumpe 4 in vertikal geschnittener Darstellung in einem Betriebszustand, wie er für die Durchführung des Sterilisationsvorganges vorgesehen ist. Die Membranpumpe 4 besteht aus einem Pumpenkopf 10 sowie einem Antriebsgehäuse 11, zwischen denen eine Membran 12 angeordnet ist. Letztere kann pneumatisch, hydraulisch oder aber auch mechanisch betätigbar sein. In die obere und untere Stirnfläche des symmetrisch zu einer Mittelebene aufgebauten Pumpenkopfes 10 sind jeweils zylindrische Ausnehmungen 13 und 14 eingebracht, die durch ebenfalls zylindrische, mit einem Flansch versehene Einsätze 15 und 16 verschließbar sind. Die Einsätze 15 bzw. 16 sind mit zentrischen Durchgangsbohrungen 17 bzw. 18 versehene, die auf der Außenseite der Einsätze 15 bzw. 16 über Rohrverbindungselemente 19 bzw. 20 mit der Verbindungsleitung 2 gekoppelt sind und die auf der Innenseite der Einsätze 15 bzw. 16 jeweils in ein dort angeordnetes selbstsperrendes bzw. selbstschließendes Auslaßventil 21 bzw. Einlaßventil 22 münden. Die Ventile 21 und 22 sind dabei so angeordnet, das ihre Öffnungsrichtung mit der in der Figur durch ausgezogen dargestellte Pfeile angedeuteten Strömungsrichtung des Korrekturmittels übereinstimmt.
Vom Einlaßventil 22 sowie vom Auslaßventil 21 führt jeweils ein in der Figur horizontal verlaufender Förderkanal 23 bzw. 24 in eine Verdrängerkammer 25, die sich zwischen der Membran 12 und dem Pumpenkopf 10 befindet. Von einem Bereich erweiterten Durchmessers der Förderkanäle 23 und 24 führt ferner eine senkrecht zum Förderkanal 23 bzw. 24 verlaufende Bohrung 26 bzw. 27 in den Ein- bzw. Auslaßbereich der beiden Ventile 21 und 22, während sich von einem im Durchmesser nochmals erweiterten Bereich der Förderkanäle 23 und 24 jeweils eine zweite Bohrung 28 bzw. 29, die parallel zur ersten Bohrung verläuft, unmittelbar in dem von den Ausnehmungen 13 bzw. 14 und dem zugehörigen Einsatz 15 bzw. 16 gebildeten Ringraum erstreckt. Von diesem Ringraum führt jeweils eine weitere Bohrung 30 bzw. 31 in die Durchgangsbohrung 17 bzw. 18.
Die Bohrungen 28 und 30 bzw. 29 und 31 bilden auf diese Weise zusammen mit den jeweils zugehörigen erweiterten Bereichen der Förderkanäle 23 und 24 Bypass-Leitungen für das Auslaßventil 21 bzw. das Einlaßventil 22. Diese Bypass-Leitungen sind, nach dem Prinzip des Eckventils, über Ventilspindeln 32 bis 35 absperrbar, die jeweils in Verlängerung der Förderkanäle 23 und 24 sowie in Höhe der Bohrungen 30 und 31 angeordnet sind und die in der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Anordnung als Kolbensitzventile ausgebildet sind. Der vordere Teil der Ventilspindeln 32 bis 35 weist einen Bereich verminderten Durchmessers auf, wodurch bei geöffneten Ventilspindeln zwischen diesem Bereich der Spindel und der zugehörigen Bohrung jeweils ein Ringraum entsteht. Der Hub der Ventilspindeln 32 bis 35 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Bügel 36 begrenzt.
Die Abdichtung der Einsätze 15 und 16 erfolgt über außendichtende O-Ringe 37 und 38, unterhalb derer die Einsätze zur Bildung der bereits erwähnten Ringräume, in die die Bohrungen 30 bzw. 31 münden, im Durchmesser vermindert sind. Die Fixierung der Einsätze 15 und 16 erfolgt über Paßbolzen 39 und 40, die Befestigung am Pumpenkopf 10 über Schraubenbolzen 41 und 42.
Während der Durchführung des biologischen Verfahrens, beispielsweise eines Fermentationsprozesses, nehmen die Ventilspindeln 32 bis 35 die in der Figur 3 dargestellte geschlossene Stellung ein und sperren somit die Bypass-Leitungen ab. Das flüssige Korrekturmittel wird mittels der druckbeaufschlagten Membran 12 über das Einlaßventil 22, den Förderkanal 24, die Verdrängerkammer 25, den Förderkanal 23 sowie das Auslaßventil aus dem Vorlagebehälter 3 in den Reaktionsbehälter 1 gefördert.
Für die Durchführung der Sterilisation der produktberührten Bereiche der Pumpe werden die Ventilspindeln 32 bis 35 geöffnet, so das der über die Verbindungsleitung 2 ankommende Heißdampf über die Bohrung 30 in den das Auslaßventil 21 umgebenden Ringraum strömt und dadurch das Ventil beheizt. Letzeres ist deshalb wichtig, weil sich etwaig in diesem Ventil bildendes Kondensat aufgrund der Schließrichtung des Ventils nicht abströmen kann. Über die Bohrung 28 gelangt der Heißdampf in die weiteren produktberührten Pumpenbereiche, d.h. die Förderkanäle 23 und 24, die Verdrängerkammer 25 sowie, über die zweite Bypass-Leitung, in den das Einlaßventil 22 umgebenden Ringraum. Schließlich werden der Dampf und das entstandene Kondensat über die Bohrung 18 und den sich anschließenden Teil der Verbindungsleitung 2 in den als Kondensatentleerer dienenden Auffangbehälter 5 abgeleitet.
Nach dem Abschluß des Sterilisationsvorganges und dem erneuten Schließen der Ventilspindeln 32 bis 35 sind die Bypass-Leitungen vom produktberührten Bereich vollständig abgetrennt, so das Gaspolster, die in diesen hinterschnittenen Bereichen möglicherweise vorhanden sind, die Funktion der Pumpe nicht beeinträchtigen.
Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung unterscheidet sich von der vorangehend beschriebenen einerseits dadurch, das die Ventilspindeln 132 und 133 in diesem Fall als Kegelsitzventile ausgebildet sind und andererseits dadurch, daß das Auslaßventil 121 in den Einsatz 115 integriert ist. Der hier nicht dargestellte Einlaßbereich der Pumpe ist dabei identisch aufgebaut. Die Wirkungsweise dieser Pumpe entspricht vollständig derjenigen der Anordnung gemäß den Figuren 2 und 3.
Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung unterscheidet sich von den oben beschriebenen dadurch, das in diesem Fall die Ventilspindeln 232 und 235 gegen die Ventilspindeln 233 und 234 um 90° versetzt angeordnet sind, ebenso wie die Bohrungen in den Einsätzen 215 bzw. 216 (letztere in der Figur nicht dargestellt). Diese Anordnung erleichtert das Anbringen eines Antriebes zur Fremdsteuerung der Ventilspindeln.

Bezugszeichenliste

1 Reaktionsbehälter
2 Verbindungsleitung
3 Vorlagebehälter
4 Membranpumpe
5 Auffangbehälter (Kondensatentleerer)
6-9 Ventile
10 Pumpenkopf (110)
11 Antriebsgehäuse
12 Membran
13,14 Ausnehmung
15,16 Einsatz (115) (215)
17,18 Durchgangsbohrung
19,20 Rohrverbindungselemente
21,22 Ein- bzw. Auslaßventil (121)
23,24 Förderkanäle
25 Verdrängerkammer
26-31 Bohrungen
32-35 Ventilspindeln (132,133) (232-235)
36 Bügel
37,38 O-Ringe
39,40 Paßbolzen
41,42 Schraubenbolzen

Claims

Membranpumpe, insbesondere für Anlagen der biologischen Verfahrenstechnik, Lebensmitteltechnik und Medizintechnik, mit einer eine Verdrängerkammer beaufschlagenden Membran, wenigstens je einen selbstschließenden Ein- und Auslaßventil sowie mit Förderkanälen, die die Verdrängerkammer mit den Ein- und Auslaßventilen verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß absperrbare Leitungswege (13,28,30 bzw. 14,29,31) vorgesehen sind, die den jeweils der Verdrängerkammer (25) abgewandten Bereich der Ein- bzw. Auslaßventile (21,22) mit dem jeweils zugeordneten Förderkanal (23,24) verbinden.
Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Leitungswege jeweils als das Ein- bzw. Auslaßventil umgebender Hohlraum (13,14) ausgebildet ist.
Membranpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (13,14) als Ringraum ausgebildet ist.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungswege (13,28,30 bzw. 14,29,31) über Ventilspindeln (32-35, 132-135) absperrbar sind.
Membranpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilspindeln (32-35, 132-135) im Bereich des Ventilsitzes einen reduzierten Querschnitt aufweisen.
Membranpumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilspindeln (32-35) als Kolbensitzventile ausgebildet sind.
Membranpumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilspindeln (132-135) als Kegelsitzventile ausgebildet sind.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ein- bzw. Auslaßventil (121) jeweils einstückig an einen die Hohlräume (13,14) verschließenden Einsatz (115) angeformt ist.