EP1693102B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Homogenisieren eines pumpfähigen Stoffes - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Homogenisieren eines pumpfähigen Stoffes Download PDF

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EP1693102B1
EP1693102B1 EP06003157A EP06003157A EP1693102B1 EP 1693102 B1 EP1693102 B1 EP 1693102B1 EP 06003157 A EP06003157 A EP 06003157A EP 06003157 A EP06003157 A EP 06003157A EP 1693102 B1 EP1693102 B1 EP 1693102B1
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homogenization
pressure
product
homogenizer
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Sandra Knape
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Knape Sandra
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Definitions

  • the invention relates to a method for homogenizing a pumpable product in which the product is pressurized and provided in a drive with a homogenizer, which rotatably mounted in a housing, a drivable rotor and a stationary or relative to the rotor with an adjustable relative speed Stator is homogenized, and a device for homogenizing a pumpable product, with a homogenizer, which has a housing rotatably mounted in a drivable rotor and a stationary or relative to the rotor with an adjustable relative speed drivable stator, and with one of the homogenizer upstream pumping device, as is known from the EP 1 475 143 A1 are known.
  • homogenization encompasses any type of increase in the interface between at least two phases of a pumpable medium or product, ie in particular also a dispersion or emulsification.
  • the homogenizer used in the invention is of the so-called rotor-stator type and consists of a stationary element, the stator, and a moving at a predetermined, usually high speed or speed element, the rotor.
  • a stator usually refers to a stationary element
  • the invention also includes those types in which the stator is also driven to achieve a certain relative speed, for example, to achieve a desired ratio of pumping and Scherenergieeintrag.
  • the product is subjected in a gap between the rotor and stator of a very high shear proportional to the (relative) rotational speed (usually 10 to 30 m / s) and the gap width (usually 0.1 to a few millimeters).
  • the shear causes a drip drop.
  • An emulsion obtained in this way can be stabilized by emulsifiers.
  • the energy used to increase the phase interface is comparatively small in relation to the total energy input, i. the efficiency is generally low and most of the energy is converted into frictional heat.
  • rotor-stator homogenizers are also radial pumps and are suitable for creating a slight negative pressure on the suction side and a slight overpressure on the delivery side.
  • additional pump blades on the suction side EP 0 896 833
  • the print side DE 296 06 962 . All these known systems have in common that the pump blades are rotatably connected to the rotor of the homogenizer. It follows that the ratio between shear energy and volume flow is a dependent on the rotor-stator geometry and the product size and can not be influenced by the operator.
  • a homogenizer with an associated pump is known, in which the outflow from the homogenizer is restricted to produce a 'back pressure'. This is to prevent cavitation in the homogenizer.
  • the 'back pressure' is determined by a pressure measurement behind the homogenizer.
  • the object of the invention is to improve the known method and apparatus for homogenizing a pumpable product to the effect that on the one hand at low working pressure at low Kavitationsne Trent highest Scherenergieeinträge are possible, and that on the other hand, the product can be discharged as required gently, without high shear energies being entered.
  • the product is applied before the homogenizing device and independently of the drive by means of a provided with a separate drive pumping device with a predetermined independently of the drive of the homogenizing pressure, wherein the herrsdiende between pumping device and homogenizing pressure is measured with a pressure sensor and regulated so that no cavitation occurs in the homogenizer.
  • a map-controlled control has proven to be particularly advantageous in which in a control unit, the essential operating parameters, in particular speed of the homogenizer and the type of product being processed, are stored and depending on the required pressure is stored before the homogenizer and / or the required speed of the pumping device, which ensures this pressure, so that ultimately no cavitation occurs.
  • the map may either be determined beforehand by measurements, or it may be based on data calculated using theoretical physical relationships.
  • the properties of the respective product can either be taken into account by the fact that in the map different types of products are stored, which are to be selected as such in the operation, such as "product 1", "product 2", etc., or by the fact that one or more relevant Product properties, such as the viscosity, the control unit pretend or be determined by measurement during operation, so that the control unit "knows" what or what is being processed for a product and can select the appropriate map or the appropriate area of the map.
  • the pressure is controlled by a map-controlled control unit, wherein a map contains at least the speed of the homogenizer and the nature of the product as input parameters and based either on pre-measured or calculated data.
  • Measured variables as input information for the control unit are at least the pressure before the homogenizer and possibly measured product properties such as viscosity, temperature, particle size, etc.
  • a further preferred embodiment is that the pressure is controlled by a controller with a computer unit, wherein the computer unit on the basis of empirically or theoretically determined relationships between at least the speed of the homogenizer and at least one characteristic property of the product on the one hand and to avoid On the other hand, cavitation required pressure is calculated.
  • no predetermined map is required, which, however, requires that the underlying relationships in the form of calculation formulas for the pressure are sufficiently accurate so that in practical operation, on the one hand no cavitation occurs and on the other hand, the pressure is not unnecessarily high.
  • the object is achieved in the device by the measure that the pumping device is driven independently of the homogenizer, wherein the pumping means is associated with a arranged in front of the homogenizer pressure sensor connected to detect a pressure control unit, which is set up to control the pressure such that cavitation does not occur in the homogenizer.
  • control unit is map-controlled, with a characteristic map which contains at least the speed of the homogenizer and the type of product as an input parameter and based either on pre-measured or calculated data.
  • control unit has a computing unit which is set up on the basis of empirically or theoretically determined relationships between at least the rotational speed of the homogenizer and at least one characteristic property of the product on the one hand and that required to avoid cavitation On the other hand, pressure calculates this.
  • the arithmetic unit preferably consists of a microcomputer with central processing unit and memory in which the required system sizes (technical characteristics of the pumping device and the homogenizer) as well as the product properties and calculation equations underlying the calculation of the required pressure are stored.
  • the control unit may be designed jointly for the pumping device and the homogenizer.
  • the invention enables a modular design and integration into existing production facilities.
  • the pumping means and the homogenizer are arranged in a common housing.
  • the pumping device has a separate pump housing.
  • the housing of the homogenizer is connected to the pump housing.
  • the homogenizing device and the pumping device can be arranged spatially separated from each other and connected to a pipeline.
  • the pumping device is arranged vertically below a product vessel.
  • the pumping device can be designed as a single-stage or multi-stage radial or axial pump.
  • the pumping device and / or the homogenizing device has sterilizable mechanical mechanical seals.
  • At least one valve in particular a valve, is arranged between the pumping device and the homogenizing device.
  • the at least one fitting may be designed for sucking in additives.
  • the at least one valve is formed as a product outlet.
  • a common control or regulation for the homogenizer and the pump means may be provided, wherein data from the aforementioned pressure, particle size and flow sensors can be used as input variables for the control, in addition to certain process specifications.
  • the homogenizer in a conventional manner with a rotatably connected to the rotor pumping stage, in particular a pump wheel having.
  • the invention further provides that there is a free cross section between the rotor and the stator, which decreases in the flow direction.
  • the invention provides that the pumping device is designed for low-shear promotion.
  • the pumping device allows a discharge pressure of up to 5 bar.
  • An essential aspect of the invention lies in the combination of pump and homogenizer, wherein always the pump and possibly also the homogenizer are controlled in their speed.
  • the speed control is based on specifications and the measured variable between pump and homogenizer.
  • the measured variable can generally consist of a quantitative measurement, wherein for the essential purpose of avoiding cavitation, the pressure is the only meaningful measurement. It would be conceivable as a measure of protection, the sound intensity (not well suited for the scheme). Other parameters for assessing the quality (eg particle measurement or increase in temperature) would make sense at best after passing through the homogenizer.
  • a controlled variable is a certain not to be undershot pressure, as a form upstream of the homogenizer, this pressure is still a function of the speed of homogenizer and possibly further influencing variables.
  • the function can be present as empirical value (characteristic curve (s), characteristic map) and is taken from one or more corresponding measuring curves, in which the critical velocity (rotational speed) is determined as a function of the admission pressure, from which cavitation occurs.
  • the input variable for the regulator is thus a target pressure curve recorded by measurement or calibration as a function of the homogenizer speed and the present product.
  • Another input variable for the regulator may be the characteristic of the pumping stage. This depends on geometry and size, but above all on the product properties.
  • the control parameters to be set also depend on the operating mode (see table below).
  • the system for the homogenization or emulsification of a product shown only schematically and in a simplified manner, initially has a vessel 1 in a vertical orientation, which is provided with an agitator 4 driven by an agitator motor 2 whose axis of rotation coincides in this example with the vertical longitudinal axis of the vessel.
  • a pump 8 is arranged as a pump device according to the invention, which is connected via a pipe 10 with a homogenizer 12 in combination, which forms the homogenizer according to the invention.
  • Pump 8 and homogenizer 12 are each driven by independently controllable or controllable drive motors 14, 16, whose control or regulation via a control unit 18 takes place.
  • the control unit 18 is connected on the input side with sensors, which are indicated at 20 and which may be pressure, temperature, particle size and / or Fuphalographen and as shown between the pump 8 and the homogenizer 12 and, if necessary can be arranged at other points in the system, for example after the homogenizer and in the boiler. Furthermore, the control unit 18 receives input signals in the form of constant process specifications and possibly current user interventions in a conventional manner.
  • the signal lines are in Fig. 1 indicated by dashed lines.
  • Pump 8 and homogenizer 12 branches off from the pipe 10 from an inlet and / or discharge line 22, which can be opened or closed with a valve 24.
  • the conduit 22 is in turn connected at a port 26 to an unillustrated delivery / discharge fitting, with the aid of which, for example, from the ongoing process e.g. Sample quantities can be removed or liquid or solid additives can be introduced into the process.
  • the line 22 is connected to a heat exchanger 28, so that a bypass branch around the homogenizer 12 is formed in the manner of a parallel connection, which opens via a line 30 and a fitting 32 in an output line 34 of the homogenizer 12.
  • a lower return line 36 is connected, which opens into a lower portion of the boiler 1, and / or (both shown here) an upper return line 38th , which opens into an upper area of the boiler 1.
  • a cleaning line 40 connects to the upper return line 38, possibly via other valves, and communicates with a cleaning spray head 39 in connection to perform the so-called “cleaning in place” (CIP), in which a usually low-viscosity, often aqueous Washing liquid is used, which is circulated with the pump 8, while the homogenizer 12 runs at a moderate speed or stands still. If the homogenizer is stationary, it offers a lot of resistance, and then cleaning could be done in the bypass. However, the homogenizer itself must also be cleaned, in which case it is preferred that the homogenizer runs at medium speed, so that it causes no significant pressure loss or even achieved a slight pressure build-up. The advantage here is that unlike previously at elevated wash temperatures with absolute pressures close to the vapor pressure no cavitation in the homogenizer can occur.
  • CIP cleaning in place
  • the simple arrows in the wires in Fig. 1 indicate the flow or flow direction in normal operation, while the double arrow 42 denotes the input or output via the terminal 26 and the double arrow 44 in the line 30 and the arrow 46 indicate a possible discharge via the valve 32.
  • the pump 8 performs different functions depending on the mode of operation and may ideally be both products with very high viscosities and higher solids contents and products with very low viscosities, e.g. aqueous solutions, process.
  • Piston pumps are less favorable, centrifugal pumps, however, are particularly advantageous.
  • the geometry of the pump impeller is preferably selected such that a moderate pressure build-up of, for example, a maximum of 5 bar is possible.
  • the volume flow to be delivered corresponds to the respective operating mode.
  • the maximum flow rate of the pump corresponds to the maximum amount to be processed by the homogenizer Flow rate, while pressure and volume flow during cleaning (CIP) with low-viscosity washing liquid corresponds to the ideal characteristic of the CIP nozzles mounted in the cleaning head.
  • centrifugal pumps according to the radial pump principle with central axial suction and a pump blade geometry, which takes account of higher to very high viscosities, are particularly suitable.
  • a radial pump is also particularly suitable for the reason that it makes it possible to pass products at low speeds with low pressure loss, i. it is "permeable" in the broadest sense.
  • a pump which is advantageous in the context of the invention is distinguished by the fact that, in comparison to the homogenizer, it results in a low shearing of the product, that is, in the broadest sense, it is low in shear.
  • the supply of powdery or liquid additives is expediently not in the pump inlet, but according to Fig. 1 after the pump and before the homogenizer, so that the pressure loss in the suction port of the pump is reduced.
  • powder penetration (backflow) directly into the boiler can be prevented as the pump effectively acts as a barrier.
  • solids and liquids can be introduced directly into the rotor-stator system, for example via the valve 24 between the pump and the homogenizer, wherein the same connection can also be used for the discharge.
  • the homogenizer may or may not have an upstream or downstream pumping wheel stage.
  • the rotor can possibly be simplified.
  • the pump When feeding additives through the valve 24, it may be useful if the pump operates at low speed and essentially only the pressure loss of the pump picks up, so that prevails in the boiler and before and behind the pump substantially the same absolute pressure, as a rule a technical vacuum (for example, 200 to 400 mbar), so that this negative pressure is applied to the valve 24 and can be used to suck.
  • a technical vacuum for example, 200 to 400 mbar

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  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Polysaccharides And Polysaccharide Derivatives (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Homogenisieren eines pumpfähigen Produkts, bei dem das Produkt unter Druck gesetzt und in einer mit einem Antrieb versehenen Homogenisiereinrichtung, die einen in einem Gehäuse drehbar gelagerten, antreibbaren Rotor und einen stillstehenden oder relativ zu dem Rotor mit einer einstellbaren Relativdrehzahl antreibbaren Stator aufweist, homogenisiert wird, und eine Vorrichtung zum Homogenisieren eines pumpfähigen Produkts, mit einer Homogenisiereinrichtung, die einen in einem Gehäuse drehbar gelagerten, antreibbaren Rotor und einen stillstehenden oder relativ zu dem Rotor mit einer einstellbaren Relativdrehzahl antreibbaren Stator aufweist, und mit einer der Homogenisiereinrichtung vorgeschalteten Pumpeinrichtung, wie sie aus der EP 1 475 143 A1 bekannt sind.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfaßt der Begriff "Homogenisieren" jede Art der Erhöhung der Grenzfläche zwischen zumindest zwei Phasen eines pumpfähigen Mediums oder Produkts, also insbesondere auch ein Dispergieren oder Emulgieren.
  • Die im Rahmen der Erfindung verwendete Homogenisiereinrichtung ist von der sogenannten Rotor-Stator-Bauart und besteht aus einem stillstehenden Element, dem Stator, und einem sich mit einer vorbestimmten, meist hohen Geschwindigkeit oder Drehzahl bewegenden Element, dem Rotor. Obwohl ein Stator in der Regel ein stillstehendes Element bezeichnet, umfaßt die Erfindung auch solche Bauarten, bei denen der Stator zur Erzielung einer bestimmten Relativgeschwindigkeit ebenfalls angetrieben ist, um z.B. ein gewünschtes Verhältnis von Pump- und Scherenergieeintrag zu erzielen.
  • Bei der eingangs genannten bekannten Vorrichtung wird das Produkt in einem Zwischenraum zwischen Rotor und Stator einer sehr starken Scherung unterworfen, die proportional zur (Relativ-)Drehgeschwindigkeit (üblich sind 10 bis 30 m/s) und zur Spaltbreite (üblich sind 0,1 bis wenige Millimeter) ist. Die Scherung bewirkt einen Tropfenzerfall. Eine auf diese Weise erhaltene Emulsion kann durch Emulgatoren stabilisiert werden.
  • Grundsätzlich gilt, daß mit höherer Drehzahl der Energieeintrag je durchgesetztem Volumen erhöht wird. Bei Rotor-Stator-Systemen ist die zur Vergrößerung der Phasengrenzfläche eingesetzte Energie vergleichsweise klein im Verhältnis zur insgesamt eingetragenen Energie, d.h. der Wirkungsgrad ist im allgemeinen gering und der größte Teil der Energie wird in Reibungswärme umgesetzt.
  • Rotor-Stator-Homogenisatoren sind prinzipiell gesehen auch Radialpumpen und eignen sich dazu, auf der Saugseite einen leichten Unterdruck und auf der Abgabeseite einen leichten Überdruck aufzubauen. Zur Unterstützung der Pumpwirkung können zusätzliche Pumpflügel auf der Saugseite ( EP 0 896 833 ) oder auf der Druckseite ( DE 296 06 962 ) angebracht werden. Allen diesen bekannten Systemen ist gemeinsam, daß die Pumpflügel drehfest mit dem Rotor des Homogenisators verbunden sind. Daraus ergibt sich, daß das Verhältnis zwischen Scherenergie und Volumenstrom eine von der Rotor-Stator-Geometrie und dem Produkt abhängige Größe ist und vom Betreiber nicht beeinflußt werden kann.
  • In modernen Prozeßanlagen wird häufig unter Vakuum gearbeitet, d.h. beispielsweise unterhalb 300 mbar. Der Homogenisierungsvorgang findet in der Regel bei erhöhten Temperaturen statt. Dies bedeutet, daß der Arbeitsdruck nahe am Dampfdruck der zu homogenisierenden Flüssigkeiten liegen kann. In dieser Situation kann es lokal, bedingt durch örtliche Geschwindigkeitsspitzen, meist in Rückströmzonen der Schaufelblätter, zu einem Absinken des statischen Drucks unter den Dampfdruck kommen, so daß sich kleine Dampfblasen bilden, die nach kürzester Zeit wieder zusammenfallen und das Pumprad schädigen können (Kavitation).
  • Mit dem Ziel der Reduzierung der Kavitationsneigung sind verschiedene Wege beschritten worden. Mehr unter der Zielsetzung eines erhöhten Durchsatzes als der einer Erhöhung des statischen Drucks vor dem Homogenisator ist in der EP 1 475 143 A1 eine mit dem Rotor gekoppelte Pumpeinrichtung vorgeschlagen worden. Eine solche Maßnahme hat sich im Prinzip bewährt, ist jedoch dann nachteilig, wenn ein Produkt möglichst ohne Eintrag von Scherenergie gefördert oder ausgetragen werden soll, da Scher- und Pumpenergieeintrag bei einer solchen Bauform eben stets gekoppelt sind.
  • Aus der EP 0 845 291 A1 ist eine Homogenisiereinrichtung mit einer zugeordneten Pumpe bekannt, bei der der Abfluss aus der Homogenisiereinrichtung eingeschränkt wird, um einen 'back pressure' zu erzeugen. Hierdurch soll Kavitation in der Homogenisiereinrichtung verhindert werden. Der 'back pressure' wird durch eine Druckmessung hinter der Homogenisiereinrichtung bestimmt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das bekannte Verfahren und die bekannte Vorrichtung zum Homogenisieren eines pumpfähigen Produkts dahingehend zu verbessern, daß einerseits bei nahe am Dampfdruck liegenden Arbeitsdrücken bei niedriger Kavitationsneigung höchste Scherenergieeinträge möglich sind, und daß andererseits das Produkt bedarfsweise schonend ausgetragen werden kann, ohne daß hohe Scherenergien eingetragen werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem Verfahren dadurch gelöst, daß das Produkt vor der Homogenisierungseinrichtung und unabhängig von deren Antrieb mittels einer mit einem separaten Antrieb versehenen Pumpeinrichtung mit einem unabhängig von dem Antrieb der Homogenisierungseinrichtung vorgebbaren Druck beaufschlagt wird, wobei der zwischen Pumpeinrichtung und Homogenisiereinrichtung herrsdiende Druck mit einen Drucksensor gemessen und so geregelt wird, daß in der Homogenisiereinrichtung keine Kavitation auftritt.
  • Obwohl grundsätzlich als Regelung zur Vermeidung von Kavitation unterschiedliche Sensoren eingesetzt werden könnten, wie beispielsweise Schallsensoren, die das Auftreten von Kavitation frühzeitig erfassen, hat sich eine kennfeldgesteuerte Regelung als besonders vorteilhaft herausgestellt, bei der in einer Regeleinheit die wesentlichen Betriebsparameter, insbesondere Drehzahl der Homogenisiereinrichtung und die Art des jeweils verarbeiteten Produkts, gespeichert sind und in Abhängigkeit davon der benötigte Druck vor der Homogenisiereinrichtung gespeichert ist und/oder die benötigte Drehzahl der Pumpeinrichtung, die diesen Druck gewährleistet, damit letztendlich keine Kavitation auftritt.
  • Das Kennfeld kann entweder vorab durch Messungen bestimmt sein, oder es kann auf Daten basieren, die unter Zuhilfenahme von theoretischen physikalischen Zusammenhängen berechnet worden sind. Die Eigenschaften des jeweiligen Produkts können entweder dadurch berücksichtigt werden, daß in dem Kennfeld unterschiedliche Produktarten abgelegt sind, die im Betrieb als solche auszuwählen sind, beispielsweise "Produkt 1", "Produkt 2" usw., oder aber dadurch, daß eine oder mehrere maßgebliche Produkteigenschaften, beispielsweise die Viskosität, der Regeleinheit vorgeben werden oder im laufenden Betrieb meßtechnisch bestimmt werden, damit die Regeleinheit "weiß", welches oder was für ein Produkt gerade verarbeitet wird und das entsprechende Kennfeld bzw. den zutreffenden Bereich des Kennfelds auswählen kann.
  • Zweckmäßigerweise ist daher vorgesehen, daß der Druck durch eine kennfeldgesteuerte Regeleinheit geregelt wird, wobei ein Kennfeld zumindest die Drehzahl der Homogenisiereinrichtung und die Art des Produkts als Eingangsparameter enthält und entweder auf vorab gemessenen oder auf berechneten Daten basiert. Meßgrößen als Eingangsinformation für die Regeleinheit sind dabei zumindest der Druck vor der Homogenisiereinrichtung und möglicherweise gemessene Produkteigenschaften wie Viskosität, Temperatur, Partikelgröße usw..
  • Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung besteht darin, daß der Druck durch einen Regler mit einer Rechnereinheit gesteuert wird, wobei die Rechnereinheit auf der Grundlage von empirisch oder theoretisch bestimmten Zusammenhängen zwischen zumindest der Drehzahl der Homogenisiereinrichtung und mindestens einer charakteristischen Eigenschaft des Produkts einerseits und dem zur Vermeidung von Kavitation erforderlichen Druck andererseits diesen berechnet. Bei einer solchen Ausführung wird kein vorab bestimmtes Kennfeld benötigt, was allerdings voraussetzt, daß die zugrundeliegenden Zusammenhänge in Form von Berechnungsformeln für den Druck hinreichend genau sind, damit im praktischen Betrieb einerseits keine Kavitation auftritt und andererseits der Druck nicht unnötig hoch vorgegeben wird.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei der Vorrichtung durch die Maßnahme gelöst, daß die Pumpeinrichtung unabhängig von der Homogenisiereinrichtung antreibbar ist, wobei der Pumpeinrichtung eine mit einem vor der Homogenisiereinrichtung angeordneten Drucksensor zur Erfassung eines Drucks verbundene Regeleinheit zugeordnet ist, die zur Regelung des Drucks eingerichtet ist, derart, daß in der Homogenisiereinrichtung keine Kavitation auftritt.
  • Zweckmäßigerweise ist hier vorgesehen, daß die Regeleinheit kennfeldgesteuert ist, mit einem Kennfeld, das zumindest die Drehzahl der Homogenisiereinrichtung und die Art des Produkts als Eingangsparameter enthält und entweder auf vorab gemessenen oder auf berechneten Daten basiert.
  • Eine bevorzugte Variante besteht darin, daß die Regeleinheit eine Recheneinheit aufweist, die so eingerichtet ist, daß sie auf der Grundlage von empirisch oder theoretisch bestimmten Zusammenhängen zwischen zumindest der Drehzahl der Homogenisiereinrichtung und mindestens einer charakteristischen Eigenschaft des Produkts einerseits und dem zur Vermeidung von Kavitation erforderlichen Druck andererseits diesen berechnet.
  • Die Recheneinheit besteht vorzugsweise aus einem Mikrocomputer mit Zentraleinheit und Speicher, in dem die benötigten Systemgrößen (technische Eigenschaften der Pumpeinrichtung und der Homogenisiereinrichtung) sowie die für die Berechnung des benötigten Drucks zugrundeliegenden Produkteigenschaften und Berechnungsgleichungen gespeichert sind.
  • Die Regeleinheit kann für die Pumpeinrichtung und die Homogenisiereinrichtung gemeinsam ausgebildet sein.
  • Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, unabhängig voneinander höchste Scherenergieeinträge und/oder hohe Pumpenergieeinträge und damit eine große Variabilität des Verfahrensablaufs zu realisieren. Mit einer unabhängig antreibbaren Pumpeinrichtung, die der Homogenisiereinrichtung vorgeschaltet ist, kann im Bedarfsfall der am Homogenisator anliegende Druck deutlich angehoben werden, so daß der Abstand zum Dampfdruck vergrößert und die Kavitationsneigung verringert werden kann. Umgekehrt kann bei stillstehender oder langsam (scherarm) betriebener Homogenisiereinrichtung durch Antreiben der Pumpeinrichtung auf schonende Weise eine Produktströmung erzielt werden, sei es für Zwecke eines Austrags, Eintrags, Wärmetauschs, Reinigung etc..
  • Außerdem ergibt sich die Möglichkeit, aufgrund der baulichen Trennung von Homogenisier- und Pumpeinrichtung in einfacher Weise eine Zufuhr von Feststoffen und/oder Flüssigkeiten unmittelbar vor dem Rotor-Stator-System zu erzielen, wobei ein und derselbe Stutzen für einen Eintrag und wahlweise für einen Austrag nutzbar ist.
  • Die Erfindung ermöglicht einen modularen Aufbau und eine Integration auch in vorhandene Produktionsanlagen.
  • Es kann vorgesehen sein, daß die Pumpeinrichtung und die Homogenisiereinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Alternativ kann vorgesehen sein, daß die Pumpeinrichtung ein separates Pumpengehäuse aufweist. In diesem Falle könnte vorgesehen sein, daß das Gehäuse der Homogenisiereinrichtung mit dem Pumpengehäuse verbunden ist.
  • Die Homogenisiereinrichtung und die Pumpeinrichtung können räumlich getrennt voneinander angeordnet und mit einer Rohrleitung verbunden sein.
  • Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, daß die Pumpeinrichtung vertikal unterhalb eines Produktkessels angeordnet ist.
  • Die Pumpeinrichtung kann als ein- oder mehrstufige Radial- oder Axialpumpe ausgebildet sein.
  • Für spezielle Anwendungen kann vorgesehen sein, daß die Pumpeinrichtung und/oder die Homogenisiereinrichtung sterilisierbare mechanische Gleitringdichtungen aufweist.
  • Bevorzugt ist vorgesehen, daß zwischen Pumpeinrichtung und Homogenisiereinrichtung mindestens eine Armatur, insbesondere ein Ventil, angeordnet ist. Die mindestens eine Armatur kann zum Einsaugen von Zusatzstoffen ausgebildet sein.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, daß die mindestens eine Armatur als Produktauslaß ausgebildet ist.
  • Eine gemeinsame Steuerung oder Regelung für die Homogenisiereinrichtung und die Pumpeinrichtung kann vorgesehen sein, wobei Daten von den vorgenannten Druck-, Partikelgrößen- und Durchflußsensoren als Eingangsgrößen für die Regelung herangezogen werden können, neben bestimmten Prozeßvorgaben.
  • In bestimmten Einsatzfällen kann es zweckmäßig sein, daß die Homogenisiereinrichtung in an sich bekannter Weise eine mit dem Rotor drehfest verbundene Pumpstufe, insbesondere ein Pumprad, aufweist.
  • Die Erfindung sieht ferner vor, daß zwischen Rotor und Stator ein freier Querschnitt besteht, der sich in Strömungsrichtung verringert.
  • Bevorzugt sieht die Erfindung vor, daß die Pumpeinrichtung für eine scherarme Förderung ausgelegt ist.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, daß die Pumpeinrichtung einen Abgabedruck von bis zu 5 bar ermöglicht.
  • Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt in der Kombination von Pumpe und Homogenisiereinrichtung, wobei immer die Pumpe und ggf. auch die Homogenisiereinrichtung in ihrer Drehzahl geregelt sind. Die Drehzahlregelung orientiert sich dabei an Vorgaben und der Messgrösse zwischen Pumpe und Homogenisator.
  • Die Messgrösse kann dabei allgemein aus einer quantitativen Messung bestehen, wobei für den wesentlichen Zweck der Vermeidung von Kavitation der Druck die einzig sinnvolle Messgrösse ist. Denkbar wäre als Schutzmessgrösse die Schallintensität (nicht gut für die Regelung geeignet). Weitere Messgrössen zur Beurteilung der Qualität (z.B. Partikelmessung oder Temperaturerhöhung) wären allenfalls sinnvoll nach dem Durchtritt durch den Homogenisator.
  • Als Regelgrösse dient ein bestimmter nicht zu unterschreitender Druck, als Vordruck vor dem Homogenisator, wobei dieser Druck noch eine Funktion der Homogenisatordrehzahl und ggf. weiterer Einflußgrößen ist.
  • Gemäß Bemoulli (reibungsfrei) kann nämlich die gesamte zur Verfügung stehende Energie entweder als statischer oder dynamischer Druck betrachtet werden. Um Kavitation zu vermeiden, darf der statische Druck nicht den Dampfdruck des Gemisches (bei mehrphasigen Emulsionen gelegentlich auch Dampfdruck der leichter siedenden Komponente) unterschreiten. Der Anteil des dynamischen Drucks ist proportional zum Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors im Homogenisator. Je schneller der Rotor also dreht, umso mehr sinkt der zur Verfügung stehende statische Druck.
  • Um den kritischen statischen Druck nicht zu unterschreiten, aber dennoch sehr hohe dynamische Drücke anwenden zu können, verbleibt die Erhöhung des zur Verfügung stehenden Gesamtdrucks.
  • Zur Vermeidung von Kavitation muss also der Vordruck umso höher sein, je höher die Homogenisatordrehzahl ist. Hierbei besteht eine Abhängigkeit von der Homogenisatorgeometrie (allgemeine Kavitationsneigung) und den Stoffwerten (Siedepunkt und Fliesseigenschaften) der Produkte. Die Funktion kann als Erfahrungswert (Kennlinie(n), Kennfeld) vorliegen und wird aus einer oder mehreren entsprechenden Messkurven aufgenommen, bei der in Abhängigkeit vom Vordruck die kritische Geschwindigkeit (Drehzahl) ermittelt wird, ab der Kavitation auftritt.
  • Die Eingangsgröße für den Regler ist somit eine durch Messung oder Kalibrierung aufgenommene Solldruckkurve als Funktion von Homogenisatordrehzahl und vorliegendem Produkt.
  • Eine weitere Eingangsgrösse für den Regler kann die Charakteristik der Pumpstufe sein. Diese hängt von Geometrie und Baugröße, aber vor allem von den Produkteigenschaften ab. Die einzustellenden Regelparameter hängen außerdem vom Betriebsmodus ab (siehe weiter unten angegebene Tabelle).
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wobei auf eine Zeichnung Bezug genommen ist, in der die (einzige)
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Homogenisieren eines pumpfähigen Produkts zeigt.
  • Die in Fig. 1 lediglich schematisch und vereinfacht darstellte Anlage zur Homogenisierung oder Emulgierung eines Produkts weist zunächst einen Kessel 1 in vertikaler Orientierung auf, der mit einem von einem Rührwerksmotor 2 angetriebenen Rührwerk 4 versehen ist, dessen Drehachse in diesem Beispiel mit der vertikalen Längsachse des Kessels übereinstimmt.
  • Unterhalb eines Kesselbodens 6 ist eine Pumpe 8 als erfindungsgemäße Pumpeinrichtung angeordnet, die über eine Rohrleitung 10 mit einem Homogenisator 12 in Verbindung steht, der die erfindungsgemäße Homogenisiereinrichtung bildet.
  • Pumpe 8 und Homogenisator 12 sind jeweils über unabhängig voneinander steuerbare bzw. regelbare Antriebsmotoren 14, 16 angetrieben, deren Steuerung oder Regelung über eine Regeleinheit 18 erfolgt.
  • Die Regeleinheit 18 ist eingangsseitig mit Meßfühlern verbunden, die mit 20 angedeutet sind und bei denen es sich um Druck-, Temperatur-, Partikelgrößen- und/oder Durchflußmengensensoren handeln kann und die wie dargestellt zwischen der Pumpe 8 und dem Homogenisator 12 und darüber hinaus ggf. an weiteren Stellen in der Anlage, bspw. nach dem Homogenisator und im Kessel, angeordnet sein können. Weiterhin erhält die Regeleinheit 18 Eingangssignale in Form von konstanten Prozeßvorgaben und ggf. aktuellen Benutzereingriffen in an sich bekannter Form. Die Signalleitungen sind in Fig. 1 gestrichelt angedeutet.
  • Zwischen Pumpe 8 und Homogenisator 12 zweigt von der Rohrleitung 10 eine Ein- und/oder Austragsleitung 22 ab, die mit einem Ventil 24 geöffnet oder geschlossen werden kann. Die Leitung 22 ist ihrerseits an einem Anschluß 26 mit einer nicht dargestellten Ein/Austragsarmatur verbunden, mit deren Hilfe aus dem laufenden Prozeß z.B. Probemengen entnommen werden können oder flüssige oder feste Zusatzstoffe in den Prozeß eingeleitet werden können.
  • Weiterhin ist die Leitung 22 mit einem Wärmetauscher 28 verbunden, so daß nach Art einer Parallelschaltung ein Bypaßzweig um den Homogenisator 12 gebildet ist, der über eine Leitung 30 und eine Armatur 32 in eine Ausgangsleitung 34 des Homogenisators 12 mündet.
  • An die Armatur 32, bei der es sich bspw. um ein Drei- oder Mehrwegeventil handeln kann, ist eine untere Rückführleitung 36 angeschlossen, die in einen unteren Bereichs des Kessels 1 mündet, und/oder (hier sind beide dargestellt) eine obere Rückführleitung 38, die in einen oberen Bereich des Kessels 1 mündet.
  • Eine Reinigungsleitung 40 schließt sich an die obere Rückführleitung 38 an, ggf. über weitere Ventile, und steht mit einem Reinigungssprühkopf 39 in Verbindung, um das sogenannte "Cleaning in Place" (CIP) auszuführen, bei dem eine in der Regel niedrigviskose, oft wäßrige Waschflüssigkeit verwendet wird, die mit der Pumpe 8 zirkuliert wird, während der Homogenisator 12 bei mäßiger Drehzahl mitläuft oder stillsteht. Wenn der Homogenisator stillsteht, bietet er viel Widerstand, wobei dann die Reinigung im Bypaß gemacht werden könnte. Allerdings muß der Homogenisator selbst ebenfalls gereinigt werden, wobei dann bevorzugt ist, daß der Homogenisator bei mittlerer Drehzahl mitläuft, so daß er keinen nennenswerten Druckverlust verursacht oder sogar noch einen leichten Druckaufbau erzielt. Vorteilhaft hierbei ist, daß anders als bisher bei erhöhten Waschtemperaturen mit Absolutdrücken nahe am Dampfdruck keine Kavitation im Homogenisator auftreten kann.
  • Die einfachen Pfeile in den Leitungen in Fig. 1 geben die Fließ- bzw. Strömungsrichtung im normalen Betrieb an, während der Doppelpfeil 42 den Ein- oder Austrag über den Anschluß 26 bezeichnet und der Doppelpfeil 44 in der Leitung 30 sowie der Pfeil 46 auf einen möglichen Austrag über die Armatur 32 hinweisen.
  • Die Pumpe 8 erfüllt je nach Betriebsmodus unterschiedliche Aufgaben und kann idealerweise sowohl Produkte mit sehr hohen Viskositäten und höheren Feststoffgehalten als auch Produkte mit sehr niedrigen Viskositäten, z.B. wäßrige Lösungen, verarbeiten.
  • Grundsätzlich kommt jede Pumpenbauart in Betracht, wobei Verdrängerpumpen wie z.B. Kolbenpumpen weniger günstig sind, Kreiselpumpen dagegen besonders vorteilhaft sind.
  • Bei der nachfolgend im einzelnen betrachteten Bauart der Kreiselpumpe ist die Geometrie des Pumpflügelrades bevorzugt so gewählt, daß ein mäßiger Druckaufbau mit beispielsweise maximal 5 bar möglich ist. Der dabei zu fördernde Volumenstrom entspricht dem jeweiligen Betriebsmodus. Beim Homogenisieren mit höher viskosen Substanzen entspricht der maximale Volumenstrom der Pumpe dem maximal vom Homogenisator zu verarbeitenden Volumenstrom, während Druck und Volumenstrom beim Reinigen (CIP) mit niedrig viskoser Waschflüssigkeit der idealen Kennlinie der im Reinigungskopf montierten CIP-Düsen entspricht.
  • Im Rahmen der Erfindung sind Kreiselpumpen nach dem Radialpumpenprinzip mit zentraler axialer Ansaugung und einer Pumpflügelgeometrie, die höhere bis sehr hohe Viskositäten berücksichtigt, besonders geeignet. Eine solche Radialpumpe ist ferner aus dem Grunde besonders geeignet, da sie ermöglicht, bei niedrigen Drehzahlen Produkte druckverlustarm durchzulassen, d.h. sie ist im weitesten Sinne "durchlässig".
  • Weiterhin zeichnet sich eine im Rahmen der Erfindung vorteilhafte Pumpe dadurch aus, daß sie im Vergleich zum Homogenisator eine geringe Scherung des Produkts zur Folge hat, also im weitesten Sinne scherarm ist.
  • Bei einer Anordnung unmittelbar unterhalb des Kesselbodens 6, wie in Fig. 1 dargestellt, steht zum Einsaugen ein großer Querschnitt zur Verfügung, und es entsteht kaum ein Druckverlust in der Zuleitung zur Pumpe.
  • Die Zuführung von pulverförmigen oder flüssigen Zusatzstoffen erfolgt zweckmäßigerweise nicht im Pumpeneinlaß, sondern gemäß Fig. 1 nach der Pumpe und vor dem Homogenisator, so daß sich der Druckverlust im Ansaugmund der Pumpe verringert. Bei Fehlern beim Einsaugen von Pulvern kann dadurch ein Pulverdurchschlag (Rückströmung) direkt in den Kessel verhindert werden, da die Pumpe gewissermaßen als Barriere wirkt.
  • Je nach Betriebsmodus der Anlage sind unterschiedliche örtliche Drücke bzw. Druckverläufe zweckmäßig, die in der nachfolgenden Tabelle beispielhaft dargestellt sind.
    • Drücke absolut in bar, Idealwerte
  • Betriebsmodus Im Kessel (Vor Pumpe) nach Pumpe (Vor Homogenisator) Nach Homogenisator
    Höchster Schereintrag 0, 5 bis 1 2 bis 4
    (mittlere Drehzahl)    		 0,8 bis 2
    (Druckverlust Leitung)
    Hoher Schereintrag 0,2 bis 0, 5 bis 1 3 bis 5
    (sehr hohe Drehzahl)    		 0,6 bis 1,5
    (Druckverlust Leitung)
    Einsaugen 0,2 bis 0, 5 0,2 bis 0, 5
    (niedrige Drehzahl)    		 0,6 bis 0,8
    (Druckverlust Leitung)
    Cold-Hot 0,2 bis 0, 5 0,2 bis 0, 5
    (sehr niedrige Drehzahl)    		 0,6 bis 0,8
    (hohe Drehzahl)
    Niedriger Schereintrag 1 (atmosphärisch) 2 bis 3
    (mittlere Drehzahl)    		 1 (atmosphärisch)
    Homog. steht still
    Austrag vor Homog
    Bypass über Wärmeübertrager    		 1 (atmosphärisch) 2 bis 5
    (sehr hohe Drehzahl)    		 1 bis 2 (atmosphärisch)
    Homog. steht still
    CIP 1 (atmosphärisch) 3 bis 5
    (Kennlinie CIP-Düsen)    		 3 bis 5
    (Kennlinie CIP-Düsen)
  • Durch die getrennte Anordnung und den getrennten Antrieb von Pumpe und Homogenisator ergibt sich erfindungsgemäß der Vorteil, daß sowohl höchste Scherenergieeinträge im Homogenisator möglich sind, ohne daß eine Gefahr von Kavitation besteht, da die Pumpe einen erforderlichen Druck zur Verfügung stellen kann, als auch niedrigste Scherenergieeinträge, z.B. beim Austrag von scherempfindlichen Gütern, da die Pumpe ein günstig geformtes Laufrad aufweist, das zur optimalen Druckerhöhung bei geringstmöglichem Scherenergieeintrag ausgelegt ist.
  • Weiterhin können Feststoffe und Flüssigkeiten direkt in das Rotor-Stator-System eingeleitet werden, beispielsweise über das Ventil 24 zwischen Pumpe und Homogenisator, wobei der gleiche Anschluß auch für den Austrag genutzt werden kann.
  • Der Homogenisator kann je nach Einsatzsituation eine vor- oder nachgeschaltete Pumpradstufe aufweisen oder auch nicht. Dadurch kann der Rotor ggf. vereinfacht ausgelegt werden.
  • Beim Zuführen von Zusatzstoffen über die Armatur 24 kann es zweckmäßig sein, wenn die Pumpe mit niedriger Drehzahl arbeitet und im wesentlichen lediglich den Druckverlust der Pumpe aufhebt, so daß im Kessel sowie vor und hinter der Pumpe im wesentlichen der gleiche Absolutdruck herrscht, in der Regel ein technisches Vakuum (beispielsweise 200 bis 400 mbar), so daß dieser Unterdruck auch an dem Ventil 24 anliegt und zum Einsaugen genutzt werden kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kessel
    2
    Rührwerksantrieb
    4
    Rührwerk
    6
    Kesselboden
    8
    Pumpe (Pumpeinrichtung)
    10
    Rohrleitung
    12
    Homogenisator (Homogenisiereinrichtung)
    14, 16
    Antriebsmotor
    18
    Regeleinheit
    20
    Meßfühler
    22
    Ein-/Austragsleitung
    24
    Ventil
    26
    Anschluß
    28
    Wärmetauscher
    30
    Leitung
    32
    Armatur (Mehrwegeventil)
    34
    Ausgangsleitung
    36
    untere Rückführleitung
    38
    obere Rückführleitung
    39
    Reinigungssprühkopf
    40
    Reinigungsleitung
    42, 44
    Doppelpfeil
    46
    Pfeil

Claims (13)

  1. Verfahren zum Homogenisieren eines pumpfähigen Produkts, bei dem das Produkt unter Druck gesetzt und in einer mit einem Antrieb (16) versehenen Homogenisiereinrichtung (12), die einen in einem Gehäuse drehbar gelagerten, antreibbaren Rotor und einen stillstehenden oder relativ zu dem Rotor mit einer einstellbaren Relativdrehzahl antreibbaren Stator aufweist, homogenisiert wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt vor dem Eintritt in die Homogenisiereinrichtung (12) mittels einer mit einem separaten Antrieb (14) versehenen Pumpeinrichtung (8) mit einem unabhängig von dem Antrieb der Homogenisiereinrichtung (12) vorgebbaren Druck beaufschlagt wird, wobei der zwischen Pumpeinrichtung (8) und Homogenisiereinrichtung (12) herrschende Druck mit einem Drucksensor (20) gemessen und durch Regelung der Pumpeinrichtung (8) so geregelt wird, dass in der Homogenisiereinrichtung (12) keine Kavitation auftritt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck durch eine kennfeldgesteuerte Regeleinheit geregelt wird, wobei ein Kennfeld zumindest die Drehzahl der Homogenisiereinrichtung und die Art des Produkts als Eingangsparameter enthält und entweder auf vorab gemessenen oder auf berechneten Daten basiert.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck durch einen Regler mit einer Rechnereinheit gesteuert wird, wobei die Rechnereinheit auf der Grundlage von empirisch oder theoretisch bestimmten Zusammenhängen zwischen zumindest der Drehzahl der Homogenisiereinrichtung und mindestens einer charakteristischen Eigenschaft des Produkts einerseits und dem zur Vermeidung von Kavitation erforderlichen Druck andererseits diesen berechnet.
  4. Vorrichtung zum Homogenisieren eines pumpfähigen Produkts, mit einer mit einem Antrieb (16) versehenen Homogenisiereinrichtung (12), die einen in einem Gehäuse drehbar gelagerten, antreibbaren Rotor und einen stillstehenden oder relativ zu dem Rotor mit einer einstellbaren Relativdrehzahl antreibbaren Stator aufweist, und mit einer der Homogenisiereinrichtung (12) vorgeschalteten, mit einem separaten Antrieb (14) versehenen Pumpeinrichtung (8),
    dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinrichtung (8) unabhängig von der Homogenisiereinrichtung (12) geregelt antreibbar ist, wobei der Pumpeinrichtung (8) eine mit einem zwischen Pumpeinrichtung (8) und Homogenisiereinrichtung (12) angeordneten Drucksensor zur Erfassung eines Drucks verbundene Regeleinheit zugeordnet ist, die zur Regelung des Drucks durch Regelung der Pumpeinrichtung (8) eingerichtet ist, derart, dass in der Homogenisiereinrichtung (12) keine Kavitation auftritt.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit kennfeldgesteuert ist, mit einem Kennfeld, das zumindest die Drehzahl der Homogenisiereinrichtung und die Art des Produkts als Eingangsparameter enthält und entweder auf vorab gemessenen oder auf berechneten Daten basiert.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit eine Recheneinheit aufweist, die so eingerichtet ist, dass sie auf der Grundlage von empirisch oder theoretisch bestimmten Zusammenhängen zwischen zumindest der Drehzahl der Homogenisiereinrichtung und mindestens einer charakteristischen Eigenschaft des Produkts einerseits und dem zur Vermeidung von Kavitation erforderlichen Druck andererseits diesen berechnet.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinrichtung (8) und die Homogenisiereinrichtung (12) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinrichtung (8) ein separates Pumpengehäuse aufweist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenisiereinrichtung (12) und die Pumpeinrichtung (8) räumlich getrennt voneinander angeordnet und mit einer Rohrleitung (10) verbunden sind.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinrichtung (8) vertikal unterhalb eines Produktkessels (1) angeordnet ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinrichtung (8) als ein- oder mehrstufige Radial- oder Axialpumpe ausgebildet ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Pumpeinrichtung (8) und der Homogenisiereinrichtung (12) mindestens eine Armatur (24), insbesondere ein Ventil, angeordnet ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenisiereinrichtung (12) eine mit dem Rotor drehfest verbundene Pumpstufe, insbesondere ein Pumprad, aufweist.
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