EP4196285A1 - Separatoreinsatz und separator - Google Patents

Separatoreinsatz und separator

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EP4196285A1
EP4196285A1 EP21758091.9A EP21758091A EP4196285A1 EP 4196285 A1 EP4196285 A1 EP 4196285A1 EP 21758091 A EP21758091 A EP 21758091A EP 4196285 A1 EP4196285 A1 EP 4196285A1
Authority
EP
European Patent Office
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housing
separator
drum
rotor
openings
Prior art date
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Granted
Application number
EP21758091.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP4196285B1 (de
Inventor
Rüdiger GÖHMANN
Kai HELMRICH
Kathrin Quiter
Andreas Schulz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
GEA Westfalia Separator Group GmbH
Original Assignee
GEA Westfalia Separator Group GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by GEA Westfalia Separator Group GmbH filed Critical GEA Westfalia Separator Group GmbH
Publication of EP4196285A1 publication Critical patent/EP4196285A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP4196285B1 publication Critical patent/EP4196285B1/de
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    • B04B7/00—Elements of centrifuges
    • B04B7/02—Casings; Lids
    • B04B7/04—Casings facilitating discharge
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    • B04B7/02—Casings; Lids
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    • B04B1/00—Centrifuges with rotary bowls provided with solid jackets for separating predominantly liquid mixtures with or without solid particles
    • B04B1/04—Centrifuges with rotary bowls provided with solid jackets for separating predominantly liquid mixtures with or without solid particles with inserted separating walls
    • B04B1/08—Centrifuges with rotary bowls provided with solid jackets for separating predominantly liquid mixtures with or without solid particles with inserted separating walls of conical shape
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
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    • B04B11/00—Feeding, charging, or discharging bowls
    • B04B11/02—Continuous feeding or discharging; Control arrangements therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B11/00—Feeding, charging, or discharging bowls
    • B04B11/08—Skimmers or scrapers for discharging ; Regulating thereof
    • B04B11/082—Skimmers for discharging liquid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B7/00—Elements of centrifuges
    • B04B7/08—Rotary bowls
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B9/00—Drives specially designed for centrifuges; Arrangement or disposition of transmission gearing; Suspending or balancing rotary bowls
    • B04B9/12—Suspending rotary bowls ; Bearings; Packings for bearings

Definitions

  • the invention relates to a separator insert for a separator according to the preamble of claim 1 and a separator with such a separator insert.
  • Separators within the meaning of this document are used to separate a free-flowing suspension as the starting product in a centrifugal field into phases of different densities.
  • a wide range of applications require steam sterilization of the separators used.
  • a relatively “small” separator that can be steam-sterilized and has a disk stack and that has been introduced to the market by the applicant is the “CSC 6” separator with an equivalent clarification area of 6000 m 2 . In some situations, such as in the laboratory, this machine is still relatively large.
  • the known disk pack separators available on the market are driven by means of a spindle, which in turn is driven by a motor directly or via a gearbox.
  • the known machines are made of stainless steel.
  • WO 2014/000829 A1 discloses a separator for separating a free-flowing product into different phases, which has a rotatable drum with a lower drum part and an upper drum part and means arranged in the drum for processing a suspension in a centrifugal field of solids or for separating a heavy solid-like phase from a lighter phase in the centrifugal field, wherein one, more or all of the following are made of plastic or a plastics composite: the bowl base, the bowl top, the means for clarification.
  • the generic DE 10 2017 128 027 shows a further development.
  • the bearing devices are designed as magnetic bearings and one of the magnetic bearing devices is preferably also used as a drive device for rotating the drum, which is held in suspension during operation. This eliminates the need for mechanical components for rotating and supporting the drum, which favors the design as a separator with a separator insert for single use, since this separator insert can be exchanged very easily.
  • the present invention also uses these advantages.
  • a separator insert for a separator which is designed to separate a free-flowing suspension in a centrifugal field into at least two free-flowing phases of different densities and which has the following: a) a stationary during operation Housing designed in the manner of a container, which is designed to be closed except for a plurality of openings, these openings being designed at least as follows: as one opening for the inflow of an incoming suspension, formed on a first axial boundary wall of the housing and as two Openings for the outflow of respective free-flowing phases of different densities on an outer casing of the housing and a second axial boundary wall of the housing or on the first and the second axial boundary wall of the housing, b) a rotor arranged inside the housing and rotatable about an axis of rotation with a drum which openings c) wherein in one of the openings of the drum at a first of its two axial ends a non-rotating
  • This construction makes it possible to control the cutting process particularly well.
  • the rotor units are arranged at the two axial ends of the drum and that two corresponding stator units are formed on the frame of the separator.
  • magnetic bearing devices are formed at both axial ends of the drum.
  • At least one of the two magnetic bearing devices preferably also represents the rotary drive for the drum, this drive also being suitable for driving the drum at freely adjustable speeds or a freely selectable direction of rotation. It can preferably be provided that one or both magnetic bearing devices have a radial and axial bearing effect and hold the rotor in suspension during operation in the container at a distance from it.
  • the rotor and stator units form magnetic bearing devices.
  • the drum can be mounted axially and radially and kept in suspension.
  • a further opening in the drum is designed as a free radial outlet for a second of the flowable phases from the drum into the housing, from which it can be derived.
  • a catch ring chamber of the housing is assigned to the free outlet, which chamber has an outlet from the housing.
  • first impeller and/or the second impeller is connected downstream of the first impeller and/or the second impeller on the flow side - as possibly in each case on the outflow side - which can be actuated by a control device are.
  • a separating means in particular a set of plates, is arranged in the drum and that the first impeller is arranged in a structurally space-saving and simple manner in the drum below the distributor and below the set of plates, i.e. in an area that is otherwise often is required to attach a drive spindle, which is not required here.
  • the rotor units for the magnetic bearing devices are arranged at the two axial ends of the drum and that the inlet pipe and the outlet pipe of the first impeller penetrate one of these two rotor units axially.
  • the separator insert is designed as a preassembled unit.
  • all product-contacting elements of this insert are made of plastic or another non-magnetic material, whereby it can be exchanged as a whole and can be completely disposed of after use. Cleaning and, if necessary, steam sterilization of the separator insert are no longer necessary.
  • the respective bearing device which in addition to a radial bearing also causes an axial bearing of the drum and/or a rotary drive, can act permanently and/or electromagnetically.
  • the inlet pipe or a paring disk shaft surrounding it is inserted into the housing, preferably in a sealed manner, or is designed in one piece with it.
  • the drum can be designed as a single cone or double cone. Additionally or alternatively, it can also have one or more cylindrical sections. It can also be composed of several parts, in particular an upper part and a lower part, these parts preferably being connected to one another (e.g. by gluing or welding) after the installation of inner components and their assembly. Analogously, the housing can be composed of several parts, in particular an upper part and a lower part, these parts preferably being connected to one another (e.g. by gluing or welding) after the installation of inner components - in particular the rotor - and their assembly.
  • the outlets can have sockets on the outside of the housing, which are sealed on the outer circumference of the housing, so that hoses or the like can be connected in a simple manner.
  • the hoses can also be pre-assembled on the nozzles so that they are completely closed and, if necessary, sterile.
  • the sockets can, for example, extend radially, tangentially or obliquely to the radial direction.
  • separators are suitable for operation at variable, even relatively high, speeds.
  • it can also be used well for one-off processing--for example for centrifugal separation of a product batch of a free-flowing fermentation broth as a suspension--from, for example, 100 l to a few thousand, for example 4000 l--into different phases--and then disposed of.
  • a particular advantage is that all the components of the separator that come into contact with the product are installed, operated and subsequently cleaned as a prefabricated and already germ-free unit can be disposed of.
  • This prefabricated unit consists at least of the rotor with the drum, the separating discs, the inlet distributor and the rotor magnets or rotor units, as well as the housing with the inlets and outlets.
  • the unit can also contain inlet and outlet lines (e.g. hoses) as well as measuring equipment or other components that come into contact with the product, which are intended for single use and are disposed of together with the separator unit after use.
  • a further advantage is that in addition to a lower axial bearing in the first vertical orientation of the axis of rotation, another axial bearing is provided, e.g. at an opposite end of the drum or possibly also in the drum. Because this makes it possible for the axis of rotation of the drum to be arranged vertically, but alternatively also advantageously inclined from the vertical. Any arrangement of the axis of rotation is possible.
  • the axis of rotation can, for example, be inclined at an angle of 30 - 60°, for example 45°, from the vertical or also be aligned horizontally - i.e. aligned at an angle of 90° to the vertical.
  • a first vertical orientation of the axis of rotation means that the position of the elements of the centrifuge can be implemented or has been implemented in a vertical orientation of the axis of rotation as described. In practice, however, the axis of rotation can also be aligned at an angle to the vertical orientation.
  • the sequence for the phases LP, HP is then preferably placed at a vertically lowest point of the respective capture ring chambers.
  • one of the bearing and/or drive units is designed to radially support the drum at its lower end in a first vertical alignment and to rotate it.
  • the housing only has the openings for inlet pipes and for outlets and is otherwise designed to be hermetically closed.
  • the inlet pipes and the processes in the manner of sockets from the housing protrude outwards, these stubs being sealed to the housing or being formed in one piece with it.
  • the invention also creates a separator with a frame and an exchangeable separator insert according to one of the claims related thereto.
  • the invention makes it possible to produce a separator in which a disposable separator insert can be used, which is preferably designed in such a way that all components that come into contact with the product are made of plastic or other non-magnetic materials, which can be disposed of after a single use. Cleaning after use is therefore no longer necessary. The machine and its operation can thus become significantly cheaper. Magnets can be recycled if necessary.
  • the entire separator insert is provided as a sealed unit, into which no contamination can enter.
  • the nozzles can be releasably sealed.
  • hose sections can be arranged on the sockets, which have openable and closable connectors with which the separator module or here the separator insert can be connected to other elements of the inlet and outlet system such as bags or tanks or hoses or pipelines.
  • the relative distance between the receptacles on the console can be adjusted in order to be able to change the separator insert.
  • the separator insert can also be made for the separator insert to be fastened to the frame in a form-fitting and/or force-fitting manner in a rotationally fixed manner.
  • the housing and the receptacles have corresponding ones Form-fitting means to keep the housing turned test on the frame or the stator units.
  • the position of these corresponding form-fitting means also define the functionally required position of the stator units and the rotor units in relation to one another. This applies in particular to the precise centering of the units lying coaxially within one another. In this case, a holding force (from above and below) can be exerted on the housing through the receptacles, if necessary also in the axial direction, in order to hold this if necessary also in a non-positive manner.
  • At least one control device is provided with which the amount of recirculation of the light or heavy phase can be controlled or regulated—in particular using one or more results of measurements with the measuring device.
  • Figure 1 a schematic, sectional representation of a first interchangeable
  • FIG. 2 a schematic, sectional view of a second replaceable separator insert of a separator together with a schematic view of an inlet and outlet system and a control unit of the separator;
  • FIG. 3 a schematic representation of a separator with a reusable frame and an exchangeable separator insert, the latter here in the manner of FIG. 1, with hose sections arranged thereon;
  • FIG. 4 a perspective view of the replaceable separator insert
  • Figure 5 Perspective view of a second variant of an exchangeable separator insert as a modification of the variant of Fig. 4.
  • FIG. 3 shows a separator with a frame I that can be used several times and with an exchangeable separator insert II in the manner of FIG. 1 for the centrifugal separation of a product—a suspension S—into various dense phases HP, LP.
  • the separator insert could also be designed in the manner of FIG.
  • the separator insert II is preferably designed as a prefabricated unit.
  • the separator insert II is designed as a one-way separator insert that can be exchanged or exchanged as a whole and is designed as a preassembled unit, which is constructed entirely or predominantly from plastic or plastic composite materials.
  • the separator insert (which does not include elements 4a and 5a) is shown separately in FIGS. 1 and 2 by way of example. It can be disposed of after a product batch has been processed and replaced with a new separator insert II.
  • Such a separator with an easily exchangeable separator insert can be useful and advantageous when processing products where it can be ruled out with a very high degree of certainty that impurities are introduced into the product - a free-flowing suspension or its phases - during centrifugal processing cleaning and disinfecting the separator would be very expensive or not possible at all.
  • the frame I has a console 1-1. This can - but does not have to - be stored on a carriage I-2 with rollers I-3. On the console 1-1, receptacles I-4 and I-5 can be arranged for receiving and holding the separator insert II also serve in the company. A first axial end of the separator insert II preferably protrudes from below into the upper receptacle I-4 and a lower end of the separator insert II protrudes from above into the other receptacle I-5.
  • the respective stator units 4a, 5a of two drive and magnetic bearing devices 4 and 5 can be arranged in the respective receptacles I-4 and I-5.
  • the control and power electronics for this can be arranged in the frame I, e.g. in the console 1-1.
  • Corresponding form-fitting means can be formed on the receptacles I-4 and I-5 and on a housing 1 of the separator insert II that does not rotate during operation, in order to be able to insert the separator insert II in a rotationally fixed manner into the stator units 4a, 5a.
  • the upper and lower stator units 4a, 5a can each have axes that are aligned with one another.
  • the two receptacles I-4 and I-5 with the stator units 4a, 5a are arranged on the frame 1-1 axially—and here, for example, also vertically—relative to one another, in particular displaceably.
  • the receptacles I-4 and I-5 with the stator units 4a, 5a on the frame I can be moved axially apart and back together in order to change the separator insert II, ie around the old separator insert II can be removed from the frame I and exchanged for a new one. It can also be provided that the relative distance between the receptacles I-4 and I-5 with the stator units 4a, 4b of the bearing devices 4, 5 is adjustable in order to be able to change the separator insert II.
  • the separator insert II can be fastened to the frame I in a form-fitting and/or force-fitting manner in a rotationally fixed manner.
  • the housing 1 and the stator units 4a, 5a can have corresponding form-fitting means such as projections (e.g. pins) and recesses (e.g Have holes) to keep the housing 1 rotating test on the stator units and thus on the frame I.
  • corresponding positive-locking means 41 and 42 are distributed around the circumference in the lower and upper area of the separator insert II and on the frame.
  • corresponding form-fitting means is provided instead of several form-fitting means in the lower or upper area of the separator insert II and at the corresponding point on the frame I.
  • the corresponding form-fitting means in Fig. 3 and Fig. 4 are pins 41a and recesses 41b.
  • the corresponding form-fitting means can also be formed directly on the frame I.
  • the corresponding form-fitting means can be arranged symmetrically but also asymmetrically in order to ensure that the separator insert can only be used in a single orientation.
  • the separator insert II of the separator has a housing 1 and a rotor 2 inserted into the housing 1 and rotatable relative to the housing 1 during operation.
  • the rotor 2 has an axis of rotation D. This can be aligned vertically, which corresponds to the structure of the frame I. However, it can also be aligned differently in space if the frame is also designed accordingly.
  • the rotor 2 of the separator insert II also has a rotatable drum 3 .
  • the rotor 2 is rotatably mounted with respective magnetic bearing devices 4, 5 at two locations which are axially spaced apart from one another in the direction of the axis of rotation. It or also the drum 3 is preferably mounted in this way at the two axial ends.
  • the separator insert II has rotor units 4b, 5b of the magnetic bearing devices 4, 5.
  • stator units 4a, 5a of the magnetic bearing devices 4, 5 are arranged on the frame 1-1.
  • the magnetic bearing devices 4, 5 preferably act radially and axially and preferably hold the rotor 2 in suspension in the housing 1 at a distance from it.
  • the rotor units 4b, 5b can be designed essentially in the manner of inner rings made of magnets, in particular permanent magnets, and the Reusable stator units 4a, 5a can essentially be used in the manner of outer rings for the axial and radial bearing of the rotor 2 (eg above) or alternatively for the rotary drive (eg below).
  • the rotor units 4b and/or 5b also represent a part of the rotating system or rotor.
  • the rotor of the drive is therefore part of the drum of the centrifugal separator.
  • One or both of the magnetic bearing devices 4, 5 is/are thus preferably also used as a drive device for rotating the rotor 2 with the drum 3 in the housing 1.
  • the respective magnetic bearing device forms a combined magnetic bearing and drive device.
  • the magnetic bearing devices 4, 5 can be embodied as axial and/or radial bearings which support the drum 3 at its ends in an overall cooperating manner axially and radially during operation and keep it floating and rotating overall during operation.
  • the basic structure of the magnetic bearing devices 4 and 5 can be the same or largely the same. In this case, in particular, only one of the two magnetic bearing devices 4, 5 can also be used as a drive device. There are thus in each case corresponding components of the magnetic bearing 4, 5 on the separator insert II - on its rotor 2 - and other corresponding parts on the frame I are formed.
  • One or both stator units 4a, 5a can also be electrically connected to control and power electronics for controlling the electromagnetic components of the magnetic bearing devices.
  • the respective magnetic bearing device 4, 5 can, for example, work according to a combined electromagnetic and permanent magnetic operating principle.
  • At least the lower axially acting magnetic bearing device 5 is used to keep the rotor 2 floating inside the housing 1 axially by levitation. It can have one or more first permanent magnets, for example on the underside of the rotor, and can also have electromagnets on a receptacle on the frame, which coaxially surround the permanent magnet or magnets.
  • the drive of the rotor can be achieved electromagnetically. However, a drive via rotating permanent magnets can also be implemented.
  • Such storage and drive devices are used, for example, by the Levitronix company, for example for driving centrifugal pumps (EP2 273 124 B1). They can also be used in the context of this document.
  • a first Levitronix motor "below” can be used as a drive, which also magnetically supports the drum radially and axially.
  • the rotor speed can be variably adjusted with the aid of a control device 37 (see FIG. 1 or 2) or a separate control device for the magnetic bearings 4, 5. Likewise, the direction of rotation of the rotor 2 can be specified and changed in this way.
  • the rotor 2 rotates. It is thus held in suspension axially and centered radially.
  • the rotor 2 with the drum 3 is preferably operated at a speed of between 1,000, preferably 5,000 to 10,000, possibly also up to 20,000 revolutions per minute.
  • the centrifugal forces arising as a result of the rotation lead to the above-described separation of a suspension to be processed into various flowable phases LP, HP of different densities and to their derivation, as described in more detail below.
  • the product batch is processed in continuous operation, which means that the phases separated from the suspension are completely drained from the drum during operation.
  • the housing 1 is preferably made of a plastic or a plastic composite material.
  • the housing 1 can be cylindrical and have a cylindrical outer shell, at the ends of which two radially extending boundary walls 6, 7 (top and bottom) are formed.
  • the drum 3 is used for the centrifugal separation of a free-flowing suspension S in a centrifugal field into at least two phases LP, HP of different densities, which can be, for example, a light liquid phase and a heavy solid phase or a heavy liquid phase.
  • the rotor 2 and its drum 3 have a vertical axis of rotation D in a preferred embodiment.
  • the housing 1 and the rotor 2 could also be oriented differently in space.
  • the following description relates to the vertical alignment shown (Fig. 3). With a different orientation in space, the alignments change according to the new alignment.
  • one or both outlets - to be discussed later - are arranged differently.
  • the rotor 2 of the separator with the drum preferably consists entirely or predominantly of a plastic material or a plastic composite material.
  • the drum 3 is preferably designed to be cylindrical and/or conical, at least in sections. The same applies to the other elements in the rotor 2 and on the housing 1 (except for elements of the magnetic bearing devices 4, 5).
  • the housing 1 is designed in the manner of a container, which is advantageously hermetically sealed except for a few openings/opening areas (still to be discussed).
  • one of the openings is formed in each of the two axial boundary walls 6, 7, which are here, for example, at the top and bottom.
  • the first phase is a lighter phase LP and the second phase is a denser, heavier phase HP compared to the first phase.
  • a second of the openings--in the second, here lower, axial boundary wall 7-- enables or serves as an outlet for the second, heavier phase HP directly from the drum 3 through the housing 1.
  • the drum 3 also has openings that are functionally assigned to the openings of the housing.
  • a feed pipe 12 for a suspension to be processed extends into an upper opening 12a at one axial end of the drum 3 .
  • This passes through the housing 1, in particular its one - here upper - axial boundary wall 6.
  • the inlet pipe 12 is sealed towards the housing 1 according to FIG executed. It is preferably also made of plastic.
  • One end of the inlet pipe 12 protrudes outwards from the housing 1 at the top and extends through the upper boundary wall 6 into the drum 3 , without touching the drum 3 .
  • the inlet pipe 12 is thus an opening in the housing 1 which is functionally assigned to the opening 12a in the drum 3 .
  • the inlet pipe 12 passes through the housing 1 and one magnetic bearing 4 concentrically to the axis of rotation of the rotor 2, then extends further axially within the housing 1 into the rotatable drum 3 and ends there with its other end - a free outlet end.
  • the feed pipe 12 ends in the drum 3 in a distributor 13 which can rotate with the drum 3.
  • the distributor 13 has a tubular distributor shaft 14 and a distributor foot 15. In the distributor foot 15 one or more distributor channels 16 are formed .
  • a stack of separating disks consisting of separating disks 17 that are conical here can be placed on the distributor 13 .
  • the distributor 13 and the separating plates 17 are preferably also made of plastic.
  • a first impeller 33 serves to drain off the heavier phase HP of the two phases HP and LP from the drum 3.
  • An impeller shaft or a central discharge pipe 34 penetrates the second axial boundary wall 7 (see Fig. 1 and Fig. 2) of the housing 1 and thus forms a further opening of the housing 1 . It also projects downwardly from a lower axial opening 34a of the drum but does not touch the drum.
  • the drum 3 has at least two cylindrical sections 18, 19 of different diameters.
  • One or more conical transition regions can be formed on the drum 3 adjacent to this.
  • the drum 3 can also have a single or double conical design overall in its central axial area (not shown here).
  • the drum 3 can have a lower cylindrical portion 20 of smaller diameter on/in which the rotor assembly 5b of the lower magnetic bearing is also formed, which merges into a conical portion 20a, then here a cylindrical portion 19 of larger diameter, for example, then again a tapered portion 18a and then an upper smaller-diameter cylindrical portion 18 on which the rotor unit 4b of the upper magnetic bearing 4 is formed.
  • the separator inserts of FIGS. 1 and 2 differ with regard to the derivation of the lighter phase.
  • Openings (which can be distributed around the circumference of the drum 3, so that a plurality of openings can be provided on the drum 3) serve as radial or tangential outlets 21 of the light phase LP from the drum 3 according to FIG according to the exemplary embodiment of FIG. 1 then the outlet or serves as outlet 10 for the lighter product phase LP which forms during the centrifugal separation and which has been discharged from the drum 3 .
  • the first outlets 21 on the radius ro of the drum 3 are designed in particular as "nozzle-like" openings in the outer casing of the drum 3 . You are also designed as so-called “free” drains from drum 3.
  • the first outlets 21 serve to discharge the lighter phase LP.
  • This phase emerging from the drum 3 is caught in the housing 1 in an upper catch ring chamber 23 of the housing 1 .
  • This catch ring chamber 23 is designed in such a way that the phase caught in it is passed to the outlet 10 of the catch ring chamber 23 . This can be achieved in that the outlet 10 is located at the lowest point of the catch ring chamber 23 in each case.
  • the annular catching chamber 23 is open radially inward toward the rotating drum 3 and is spaced apart in such a way that liquid spurting out of the respective outlet 21 during the centrifugal separation essentially only sprays into the associated annular catching chamber 23, which is at the same axial level will.
  • a chamber 25 that is not used for discharging a phase can optionally be formed below the annular capture chamber 23 .
  • This chamber 25 can optionally have a leakage drain (not shown here).
  • the first annular catch chamber 23 and the chamber 25 can be separated from one another by a first here conical wall 26 which, starting from the outer surface of the housing 1, runs conically inwards and upwards and ends at a distance from the drum 3 radially in front of it.
  • the product phase LP is discharged from the housing 1 through the outlet 10, preferably at the lowest point of the annular capture chamber.
  • Connection pieces can be provided in the area of the outlet 10 on the outside of the housing 1 in order to be able to easily connect lines and the like.
  • the housing 1 can be composed of a plurality of plastic parts which are connected to one another in a sealed manner, for example by gluing or welding.
  • the first impeller 33 As (here second) outlet for the heavier phase HP from the drum (through the housing 1), the first impeller 33 is provided according to FIGS. 1 and 2, which extends essentially radially and into an axially running discharge pipe 34 as an impeller shaft transitions, which the lower axial boundary wall 7 of the housing 1 interspersed.
  • the paring disk 33 has an outer diameter ru. In this case, ru > ro.
  • the inlet openings 33a of the impeller 33 are therefore on a larger diameter or radius ru than the outlets 21 for the light phase LP on the radius ro. It is thus possible to derive a phase HP that is heavier than the lighter phase LP from the drum 3 with the paring disk 33 .
  • the impeller 33 stands still during operation of the separator and dips with its outer edge into the heavier phase HP rotating in the drum 3 .
  • the phase HP is diverted inwards through the channels in the impeller 33 .
  • the impeller 33 thus serves to derive the phase HP in the manner of a centripetal pump.
  • the peeling disc 33 can be arranged in the drum 3 below the distributor 14 and below the plate pack 17 in a simple and compact manner.
  • the radius ru corresponds to the immersion depth of the peeling disk 33.
  • the drain pipe 34 is led out with one end out of the housing 1 down out of the drum and through the lower boundary wall 7, while not touching the drum 3 at the same time.
  • the discharge pipe 34 can be formed in one piece with the housing 1 or be inserted into it in a sealed manner.
  • a hose or the like can be connected to the discharge pipe as a discharge line 35 .
  • the discharge pipe passes through the housing 1 and the lower magnetic bearing 5 concentrically to the axis of rotation D of the rotor 2, then extends further axially within the housing 1 into the impeller 33.
  • the volume flow of the heavy phase HP in the discharge line 35 can be throttled by the control valve 36 and the immersion depth of the associated impeller can be increased.
  • a control device 37 is preferably provided.
  • the control valve 36 is preferably connected to the control device 37 wirelessly or by wire.
  • the control device 37 can also be designed and provided for controlling the magnetic bearings 4, 5 and the drive. According to FIG. 2, the light phase LP is also discharged via an impeller.
  • a second impeller 22 is provided in the upper region of the drum 3 here, the inlet openings 22a of which in turn can be on a smaller radius ro than the radius ru of the inlet of the first—lower—impeller 33 for the heavier phase.
  • the shank of this second impeller 22 can surround the inlet pipe 8 like an outer outlet pipe 24 in the manner of a ring channel and instead of the inlet pipe 8 can be tightly connected to the housing 1 or formed in one piece with it.
  • the drain pipes 24, 34 of the two peeling discs 22, 33 are thus led out of the drum 3 at opposite ends of the latter, as shown in FIG. They are also led out of the housing 1 at opposite ends of the latter. They can be inserted into the housing 1 in a sealed manner. But you can also be made in one piece with this plastic.
  • the inlet pipe 12 can be connected to the impeller shaft 24 at the upper end of the latter.
  • a radial or tangential connecting piece 24a can be led out of the impeller shaft 24 .
  • a discharge line 40 for discharging the light phase can be connected to this, which can open into a bag or tank, for example.
  • the ends of the tubes 12 and 34 can also be designed as sockets for connecting hoses or the like (FIG. 2, but also FIG. 1).
  • controllable, in particular electrically controllable, control valve 39 is also inserted in the discharge line 40 for the light phase LP.
  • the volume flow of the light phase LP can be changed by the control valve 39, in particular throttled to a greater or lesser extent, and the immersion depth of the second impeller 22 can thus be changed.
  • the control valve 39 is also connected to the control device 37 wirelessly or by wire, so that it can be controlled by the control device 37 .
  • the respective paring disk 22, 33 is a cylindrical and essentially radially aligned disk provided with several, for example one to six, channels, which is stationary during operation and has channels, so that a type of centripetal pump is formed.
  • the outer edge of the respective impeller 22 or 33 dips into the phase LP or LP rotating in the separator.
  • HP a The respective phase LP, HP is diverted inwards through the channels in the impeller and the rotational speed of the respective phase LP, HP is converted into pressure.
  • the respective impeller 22, 33 thus replaces a drain pump for the respective phase LP, HP.
  • the impellers thus each work as a centripetal pump. They can be made of plastic.
  • a third paring disk could also be provided, which could be used to derive a further phase.
  • the respective separator is provided with its reusable components or reusable components.
  • This includes the frame I and the drive and stator units 4a, 5a of the magnetic bearing devices.
  • This also includes a control unit 37.
  • a separator insert II is then provided and mounted on the frame I. To do this, only the stator units 4a and 5a have to be moved apart.
  • the separator insert is then inserted in a form-fitting manner and the stator units are moved towards one another. The housing is thus securely held against rotation.
  • hoses are now connected to the nozzles, which end in tanks or bags.
  • the respective separator insert of FIGS. 1 and 2 can therefore preferably also have hoses and nozzles which can be connected to other lines (not shown here) and containers such as bags, tanks, pumps and the like.
  • phase HP flows radially outwards in the drum 3 in the separating space. There the phase HP leaves the drum on a radius ru through the channels of the stationary impeller 33.
  • the lighter phase LP flows radially inwards in the bowl 3 in the separation space and rises through a channel 38 on a stem of the distributor. there the phase LP leaves the drum according to FIGS. 1 and 2 on a radius ro.
  • the separating process can be influenced in a simple manner with the control valve or valves 36 , 39 . This results in an optimization of the separation process.
  • the main application of the separator according to the invention is cell separations in the pharmaceutical industry.
  • the performance range is intended for processing broths from fermenters in the range of 100 l — 4000 l as well as for laboratory applications.
  • separators are used in various areas of industry in which separators are used would also be conceivable: chemicals, pharmaceuticals, dairy technology, renewable raw materials, oil and gas, beverage technology, mineral oil, etc.
  • the separators shown make it possible to produce a separator insert in which preferably all the components that come into contact with the product can be made of plastic or other non-magnetic materials, which can be disposed of after a single use or fed into a recycling process. Cleaning after use is therefore no longer necessary.
  • the separator and its operation can thus be implemented cost-effectively.
  • FIG. 5 shows a modification of a separator insert II of FIG. 4 in a second embodiment variant, identical features being provided with analogous reference symbols.
  • the special feature of this second embodiment variant is that the form-fitting means 41b and the corresponding form-fitting means 41a provided on the frame I only exist on one side between the frame I and the housing of the separator insert II and thus also axial and torsion protection of the separator insert II the frame I is made possible. This reduces, among other things, the complexity of the structure.
  • stator units 4a, 5a are stator stator units 4a, 5a

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Abstract

Ein Separatoreinsatz für einen Separator, der zur Trennung einer fließfähigen Suspension (S) in einem Zentrifugalfeld in wenigstens zwei fließfähige Phasen (LP, HP) verschiedener Dichte ausgelegt ist und der folgendes aufweist: - ein im Betrieb stillstehendes Gehäuse (1), das nach Art eines Behälters ausgelegt ist, der bis auf eine Mehrzahl an Öffnungen geschlossen ausgelegt ist, wobei diese Öffnungen zumindest wie folgt ausgelegt sind: als ein Zulauf (8) für eine zulaufende Suspension, ausgebildet an einer ersten axialen Begrenzungswand (6) des Gehäuses (1) und als zwei Öffnungen zum Ablauf (10, 34) jeweiliger fließfähiger Phasen verschiedener Dichte (LP, HP) an einem Außenmantel des Gehäuses (1) und einer zweiten axialen Begrenzungswand (7) des Gehäuses oder als zwei Öffnungen zum Ablauf (24, 34) jeweiliger fließfähiger Phasen verschiedener Dichte (LP, HP) an der ersten und der zweiten axialen Begrenzungswand (6, 7) des Gehäuses (1), - einen innerhalb des Gehäuses (1) angeordneten und um eine Drehachse (D) drehbaren Rotor mit einer Trommel (3), welche Öffnungen aufweist, - zumindest zwei Rotoreinheiten (4b, 5b) für Magnetlagereinrichtungen (4, 5) an zwei axial beabstandeten Stellen des Rotors (2) mit der Trommel (3), mit welchen der Rotor (2) mit der Trommel (3) im Betrieb innerhalb des Gehäuses in der Schwebe haltbar, drehbar lagerbar und in Drehung versetzbar ist.

Description

SEPARATOREINSATZ UND SEPARATOR
Die Erfindung betrifft einen Separatoreinsatz für einen Separator, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen Separator mit einem solchen Separatoreinsatz.
Separatoren im Sinne dieser Schrift dienen zur Trennung einer fließfähigen Suspension als Ausgangsprodukt im Zentrifugalfeld in Phasen verschiedener Dichte. Bei verschiedensten Anwendungen ist eine Dampfsterilisation der eingesetzten Separatoren erforderlich. Ein relativ „kleiner“ am Markt über die Anmelderin eingeführter dampfsterilisierbarer Separator mit Tellerpaket ist der Separator „CSC 6“ mit 6000 m2 äquivalenter Klärfläche. In manchen Situationen, so im Labor, ist diese Maschine jedoch noch relativ groß. Die bekannten Separatoren mit Tellerpaket, die auf dem Markt verfügbar sind, werden mittels einer Spindel angetrieben, die wiederum direkt oder über ein Getriebe von einem Motor angetrieben wird. Zudem bestehen die bekannten Maschinen aus Edelstahl. Aus diesen Gründen werden aktuell in Laboren sehr häufig Filter statt Zentrifugalseparatoren eingesetzt. Bei einem Separator mit einem Tellerpaket und mit Einwegkomponenten aus Kunststoff (Single-Use-Technolo- gie - Einmalverwendung vorqualifizierter Kunststoffteile) wäre die Dampfsterilisation (SIP - Sterilization In Place) nicht erforderlich. Er könnte sich insbesondere zum Einsatz in der Biotechnologie eignen.
Aus der WO 2014/000829 A1 ist ein Separator zur Trennung eines fließfähigen Produktes in verschiedene Phasen bekannt, der eine drehbare Trommel mit einem Trommelunterteil und einem Trommeloberteil aufweist und ein in der Trommel angeordnetes Mittel zum Verarbeiten einer Suspension im Zentrifugalfeld von Feststoffen bzw. zum Trennen einer schweren feststoffartigen Phase von einer leichteren Phase im Zentrifugalfeld, wobei eines, mehrere oder sämtliche folgender Elemente aus Kunststoff oder einem Kunststoff-Verbundwerkstoff bestehen: das Trommelunterteil, das Trommeloberteil, das Mittel zum Klären. Derart ist es möglich, einen Teil der Trommel oder vorzugsweise sogar die gesamte Trommel - vorzugsweise nebst den Zulauf- und Ablaufsystemen bzw. -bereichen - für eine Einmalverwendung auszulegen, was insbesondere in Hinsicht für die Verarbeitung pharmazeutischer Produkte wie Fermentationsbrühen oder dgl. von Interesse und Vorteil ist, da nach dem Betrieb zur Verarbeitung einer entsprechenden Produktcharge im während der Verarbeitung der Produktcharge vorzugsweise kontinuierlichen Betrieb keine Reinigung der produktberührenden Teile der Trommel durchgeführt werden muss sondern diese insgesamt ausgetauscht werden kann. Gerade aus hygienischer Sicht ist dieser Separator damit sehr vorteilhaft. Um eine physische Trennung zwischen dieser Einweg-Trommel und dem Antrieb zu erreichen, ist eine berührungsfreie Kupplung zwischen Antrieb und Trommel vorteilhaft.
Eine Weiterentwicklung zeigt die gattungsgemäße DE 10 2017 128 027. Hier sind die Lagereinrichtungen als Magnetlager ausgebildet und eine der Magnetlagereinrichtungen wird vorzugsweise auch als Antriebsvorrichtung zum Drehen der Trommel genutzt, die im Betrieb in der Schwebe gehalten wird. Damit entfallen mechanische Komponenten zum Drehen und Lagern der Trommel, was die Ausbildung als Separator mit einem Separatoreinsatz zur einmaligen Verwendung begünstigt, da ein Austausch dieses Separatoreinsatzes sehr einfach zu handhaben ist. Diese Vorteile nutzt auch die vorliegende Erfindung.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, bei einem gattungsgemäßen Separatoreinsatz - der als Einwegelement nutzbar ist bzw. ausgebildet werden kann - so auszubilden, dass der Trennprozess besser beherrschbar wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 1 , also durch einen Separatoreinsatz für einen Separator, der zur Trennung einer fließfähigen Suspension in einem Zentrifugalfeld in wenigstens zwei fließfähige Phasen verschiedener Dichte ausgelegt ist und, der folgendes aufweist: a) ein im Betrieb stillstehendes Gehäuse, das nach Art eines Behälters ausgelegt ist, der bis auf eine Mehrzahl an Öffnungen geschlossen ausgelegt ist, wobei diese Öffnungen zumindest wie folgt ausgelegt sind: als eine Öffnung zum Zulauf einer zulaufenden Suspension, ausgebildet an einer ersten axialen Begrenzungswand des Gehäuses und als zwei Öffnungen zum Ablauf jeweiliger fließfähiger Phasen verschiedener Dichte an einem Außenmantel des Gehäuses und einer zweiten axialen Begrenzungswand des Gehäuses oder an der ersten und der zweiten axialen Begrenzungswand des Gehäuses, b) einen innerhalb des Gehäuses angeordneten und um eine Drehachse drehbaren Rotor mit einer Trommel, welche Öffnungen aufweist, c) wobei sich in eine der Öffnungen der Trommel an einem ersten ihrer beiden axialen Enden ein sich im Betrieb nicht drehendes Zulaufrohr zur Zuleitung der zu verarbeitenden Suspension in die Trommel erstreckt, welches die Trommel nicht berührt, und wobei wenigstens ein Auslass für eine erste der fließfähigen Phasen aus der Trommel als eine Schälscheibe ausgebildet ist, die sich im Betrieb nicht dreht und die ein Ablaufrohr aufweist, das am gegenüberliegenden zweiten axialen Ende der Trommel aus der Trommel geführt ist, d) wobei in der Trommel ein Trennmittel angeordnet ist, und e) wobei zumindest zwei Rotoreinheiten für Magnetlagereinrichtungen an zwei axial beabstandeten Stellen des Rotors mit der Trommel angeordnet sind, mit welchen der Rotor mit der Trommel im Betrieb innerhalb des Gehäuses in der Schwebe haltbar, drehbar lagerbar und in Drehung versetzbar ist.
Durch diese Konstruktion ist es möglich, den Trennprozess besonders gut zu beherrschen.
„Im Betrieb“ bedeutet während einer bzw. der zentrifugalen Verarbeitung, wenn sich der Rotor dreht.
Es ist dabei bevorzugt, da einfach und praktisch, dass die Rotoreinheiten an den beiden axialen Enden der Trommel angeordnet sind, und dass zwei korrespondierende Statoreinheiten am Gestell des Separators ausgebildet sind. Derart werden an beiden axialen Enden der Trommel Magnetlagereinrichtungen gebildet.
Vorzugsweise ist somit vorgesehen, dass die Öffnungen der Trommel funktional den Öffnungen des Gehäuses aus a) zugeordnet sind.
Dabei stellt mindestens eine der beiden Magnetlagereinrichtungen vorzugsweise auch den Drehantrieb für die Trommel dar, wobei dieser Antrieb auch geeignet ist die Trommel mit frei einstellbaren Drehzahlen bzw. frei wählbarer Drehrichtung anzutreiben. Dabei kann vorzugweise vorgesehen sein, dass eine oder beide Magnetlagereinrichtungen radial und axial lagernd wirken und den Rotor im Betrieb im Behälter zu diesem beabstandet in der Schwebe halten.
Es kann weiter vorzugweise vorgesehen sein, dass der Separatoreinsatz eine vormontierte, wechselbare Einheit zum Einsetzen in Statoreinheiten am Gestell des Separators bildet. Im Zusammenspiel bilden die Rotor- und Statoreinheiten Magnetlagereinrichtungen aus. Mit diesen kann die Trommel axial und radial gelagert werden und in der Schwebe gehalten werden. Nach einer ersten vorteilhaften und konstruktiv besonders einfach umsetzbaren Variante ist ergänzend vorgesehen, dass eine weitere Öffnung der Trommel als freier radialer Auslass für eine zweite der fließfähigen Phasen aus der Trommel in das Gehäuse ausgelegt ist, aus dem sie ableitbar ist. Es kann dazu ferner vorteilhaft und einfach vorgesehen sein, dass dem freien Auslass eine Fang-Ringkammer des Gehäuses zugeordnet ist, die einen Ablauf aus dem Gehäuse aufweist.
Nach einer anderen vorteilhaften und konstruktiv besonders einfach umsetzbaren Variante kann aber auch ergänzend vorgesehen sein, eine weitere Öffnung der Trommel zur Ableitung der weiteren fließfähigen Phasen aus der Trommel als eine zweite Schälscheibe auszubilden. Es kann dann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die zweite Schälscheibe ein Ableitungsrohr aufweist, das koaxial zum Zuleitungsrohr ausgebildet ist und koaxial zu diesem aus der Trommel und durch die Öffnung in der ersten axialen Begrenzungswand des Gehäuses geführt ist.
Um den Trennprozess gut zu beherrschen, das heißt steuern oder regeln zu können, kann ferner vorgesehen sein, dass der ersten Schälscheibe und/oder der zweiten Schälscheibe strömungsseitig - als ggf. jeweils ablaufseitig - ein Regelventil nachgeschaltet ist, das oder die von einer Steuereinrichtung ansteuerbar sind.
Es kann weiter bevorzugt vorgesehen sein, dass in der Trommel ein Trennmittel, insbesondere ein Tellerpaket, angeordnet ist und dass die erste Schälscheibe konstruktiv raumsparend und einfach in der Trommel unterhalb des Verteilers und unterhalb des Tellerpakets angeordnet ist, also in einem Bereich, der sonst oft zum Befestigen einer Antriebsspindel benötigt wird, die hier nicht erforderlich ist.
Es ist bevorzugt - da konstruktiv einfach und sicher - dass die Rotoreinheiten für die Magnetlagereinrichtungen an den beiden axialen Enden der Trommel angeordnet sind und dass das Zulaufrohr und das Ablaufrohr der ersten Schälscheibe jeweils eine dieser beiden Rotoreinheiten axial durchsetzt.
Es ist besonders vorteilhaft und praktisch, dass der Separatoreinsatz als vormontierte Einheit ausgebildet ist. Dabei kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass sämtliche produktberührenden Elemente dieses Einsatzes aus Kunststoff oder einem anderen nichtmagnetischen Material bestehen, wobei er als Ganzes wechselbar ist und nach Gebrauch vollständig entsorgt werden kann. Eine Reinigung und ggf. eine Dampfsterilisation des Separatoreinsatzes sind damit nicht mehr erforderlich.
Es kann die jeweilige Lagereinrichtung, die neben einer Radiallagerung auch eine Axiallagerung der Trommel und/oder einen Drehantrieb bewirkt, permanent- und/oder elektromagnetisch wirken.
Am Außenumfang ist das Zulaufrohr oder ein dieses umgebender Schälscheibenschaft vorzugsweise abgedichtet in das Gehäuse eingesetzt oder mit diesem einstückig ausgebildet.
Die Trommel kann einfach konisch oder doppeltkonisch ausgebildet sein. Sie kann ergänzend oder alternativ auch einen oder mehrere zylindrische Abschnitte aufweisen. Sie kann zudem aus mehreren Teilen, insbesondere einem Oberteil und einem Unterteil zusammengesetzt sein, wobei diese Teile vorzugsweise nach dem Einbau innerer Komponenten und ihrem Zusammenbau miteinander verbunden sind (z.B. durch Verkleben oder Verschweißen). Analog kann das Gehäuse aus mehreren Teilen, insbesondere einem Oberteil und einem Unterteil zusammengesetzt sein, wobei diese Teile vorzugsweise nach dem Einbau innerer Komponenten - insbesondere dem Rotor - und ihrem Zusammenbau miteinander verbunden sind (z.B. durch Verkleben oder Verschweißen).
Die Abläufe können Stutzen an der Außenseite des Gehäuses aufweisen, die am Außenumfang abgedichtet an diesem ausgebildet sind, so dass derart auf einfache Weise Schläuche oder dgl. anschließbar sind. Die Schläuche können auch bereits an den Stutzen vormontiert sein, so dass diese komplett und bei Bedarf keimfrei verschlossen sind. Die Stutzen können sich z.B. radial, tangential oder schräg zur Radialrichtung erstrecken.
Diese Separatoren sind zum Betrieb bei variablen, auch relativ hohen Drehzahlen geeignet. Zudem kann er auch gut für eine Einmalverarbeitung - beispielsweise für eine zentrifugale Trennung einer Produktcharge einer fließfähigen Fermentationsbrühe als Suspension - von z.B. 1001 bis einige Tausend, z.B. 4000 I - in verschiedene Phasen - genutzt werden und danach entsorgt werden. Dabei besteht ein besonderer Vorteil darin, dass alle produktberührenden Komponenten des Separators als vorgefertigte und bereits keimfreie Einheit eingebaut, betrieben und anschließend entsorgt werden können. Diese vorgefertigte Einheit besteht zumindest aus dem Rotor mit der Trommel, den Trenntellern, dem Zulaufverteiler und den Rotormagneten bzw. Rotoreinheiten, sowie dem Gehäuse mit den Zu- und Abläufen. Des Weiteren kann die Einheit zudem Zu- und Ablaufleitungen (bspw. Schläuche) sowie Messequipment oder weitere produktberührte Komponenten enthalten, die zum Einmalgebrauch vorgesehen sind und nach Benutzung zusammen mit der Separatoreinheit entsorgt werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass neben einem in erster vertikaler Ausrichtung der Drehachse unteren Axiallager ein weiteres Axiallager - z.B. an einem gegenüberliegenden Ende der Trommel oder ggf. auch in der Trommel - vorgesehen ist. Denn dies ermöglicht es, dass die Drehachse der Trommel vertikal aber alternativ auch vorteilhaft aus der Vertikalen geneigt angeordnet werden kann. Dabei ist eine beliebige Anordnung der Drehachse möglich. Die Drehachse kann also z.B. unter einem Winkel von 30 - 60°, beispielsweise 45°, aus der Vertikalen geneigt sein oder auch horizontal ausgerichtet werden - also um 90° zur Vertikalen geneigt ausgerichtet sein. Weiterhin ist auch eine Drehung der gesamten Anordnung um 180° möglich, so dass die Zulauföffnung unten angeordnet ist und die konischen Trennteller sich nach oben öffnen - ohne dass es dadurch zu Lagerungsproblemen der Trommel kommt.
Sofern hier oder nachfolgend „eine erste vertikale Ausrichtung der Drehachse“ betrachtet wird, heißt dies, dass die Lage der Elemente der Zentrifuge in einer vertikalen Ausrichtung der Drehachse wie beschrieben realisierbar ist bzw. realisiert ist. Die Drehachse kann praktisch dann aber auch schräg zur vertikalen Ausrichtung ausgerichtet sein. Dann wird vorzugsweise der Ablauf für die Phasen LP, HP, jeweils an eine vertikal tiefste Stelle der jeweiligen Fang-Ringkammern gelegt.
Es ist weiter vorteilhaft, wenn eine der Lager- und/oder Antriebseinheiten dazu ausgelegt ist, die Trommel bei einer ersten vertikalen Ausrichtung an ihrem unteren Ende radial zu lagern und in Drehung zu versetzen.
Und schließlich kann weiter vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Gehäuse ausschließlich die Öffnungen für Zulaufrohre und für Abläufe aufweist und ansonsten hermetisch geschlossen ausgebildet ist. Dazu kann vorgesehen sein, dass die Zulaufrohre und die Abläufe nach Art von Stutzen aus dem Gehäuse nach außenvorstehen, wobei diese Stutzen mit dem Gehäuse abgedichtet verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet sind.
Die Erfindung schafft auch einen Separator mit einem Gestell und einem wechselbaren Separatoreinsatz nach einem der darauf bezogenen Ansprüche.
Dies erleichtert es, einen Separator zu schaffen, der ein Einwegmodul mit Einwegkomponenten „Trommel“ und „Gehäuse“ aufweist, wohingegen zumindest das Gestell sowie Teile der Lager- und Antriebsvorrichtung wiederverwendbar sein können.
Die Erfindung ermöglicht die Herstellung eines Separators, bei dem ein Einweg-Separatoreinsatz verwendbar ist, der vorzugweise derart ausgebildet ist, dass sämtliche produktberührenden Komponenten aus Kunststoff oder anderen nichtmagnetischen Werkstoffen gefertigt sind, die nach einmaligem Gebrauch entsorgt werden können. Eine Reinigung nach Benutzung entfällt somit. Die Maschine und deren Betrieb können damit deutlich günstiger werden. Magnete können ggf. recycelt werden.
Der gesamte Separatoreinsatz wird nach seiner Herstellung als abgedichtete Einheit bereitgestellt, in welche keine Verunreinigungen eintreten können. Dazu können die Stutzen abgedichtet lösbar verschlossen sein. So können an den Stutzen Schlauchabschnitte angeordnet sein, die öffenbare und verschließbare Konnektoren aufweisen, mit welchen das Separatormodul bzw. hier der Separatoreinsatz an weitere Elemente des Zu- und Ablaufsystems wie Beutel oder Tanks oder Schlauch- oder Rohrleitungen anschließbar ist.
Dabei ist es einfach und sicher, wenn an dem Gestell zueinander beabstandete Aufnahmen der Lagereinrichtungen ausgebildet sind, zwischen welche der Separatoreinsatz drehfest wechselbar einsetzbar ist.
Es kann dazu weiter vorgesehen sein, dass der relative Abstand der Aufnahmen an der Konsole verstellbar ist, um den Separatoreinsatz wechseln zu können.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass der Separatoreinsatz form- und/oder kraftschlüssig drehfest an dem Gestell befestigbar ist. Nach einer besonders einfachen Variante weisen dazu das Gehäuse und die Aufnahmen korrespondierende Formschlussmittel auf, um das Gehäuse drehtest an dem Gestell bzw. den Statoreinheiten zu halten.
Die Lage dieser korrespondierenden Formschlussmittel definieren auch die funktional erforderliche Lage der Statoreinheiten und der Rotoreinheiten zueinander. Dies betrifft besonders die genaue Zentrierung der jeweils koaxial ineinander liegenden Einheiten und. Dabei kann durch die Aufnahmen ggf. auch in axialer Richtung eine Haltekraft (von oben und unten) auf das Gehäuse ausgeübt werden um dieses ggf. auch kraftschlüssig zu halten.
Es kann zudem vorgesehen sein, wenn wenigstens eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, mit welcher die Menge der Rezirkulation der leichten oder der schweren Phase - insbesondere unter Nutzung eines oder mehrerer Ergebnisse von Messungen mit der Messeinrichtung - steuerbar oder regelbar ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben, wobei auch weitere vorteilhafte Varianten und Ausgestaltungen diskutiert werden. Es sei betont, dass die nachfolgend diskutierten Ausführungsbeispiele die Erfindung nicht abschließend beschreiben sollen, sondern dass auch nicht dargestellte Varianten und Äquivalente realisierbar sind und unter die Ansprüche fallen. Es zeigt:
Figur 1 : eine schematische, schnittartige Darstellung eines ersten wechselbaren
Separatoreinsatzes eines Separators nebst einer schematischen Darstellung eines Zu- und Ablaufsystems und einer Steuereinheit des Separators;
Figur 2: eine schematische, schnittartige Darstellung eines zweiten wechselbaren Separatoreinsatzes eines Separators nebst einer schematischen Darstellung eines Zu- und Ablaufsystems und einer Steuereinheit des Separators; Figur 3: eine schematische Darstellung eines Separators mit einem wiederverwendbaren Gestell und einem wechselbaren Separatoreinsatz, letzterer hier nach Art der Fig. 1 , mit daran angeordneten Schlauchabschnitten;
Figur 4: eine perspektivische Ansicht des wechselbaren Separatoreinsatzes aus
Fig. 1 und 3 mit daran angeordneten Schlauchabschnitten; und
Figur 5: perspektivische Ansicht einer zweiten Variante eines wechselbaren Separatoreinsatzes in Abwandlung der Variante der Fig. 4.
Figur 3 zeigt einen Separator mit einem mehrfach verwendbaren Gestell I und mit einem wechselbaren Separatoreinsatz II nach Art der Fig. 1 zur zentrifugalen Trennung eines Produktes - einer Suspension S - in verschiedene dichte Phasen HP, LP. Der Separatoreinsatz könnte auch nach Art der Fig. 2 ausgestaltet sein.
Der Separatoreinsatz II ist vorzugsweise als vorgefertigte Einheit ausgebildet. Insbesondere ist der Separatoreinsatz II als ein als Ganzes tauschbarer bzw. wechselbarer sowie als vormontierte Einheit ausgelegter Einweg-Separatoreinsatz ausgebildet, der ganz oder zum überwiegenden Teil aus Kunststoff- oder Kunststoff-Verbund- werkstoffen aufgebaut ist.
Der Separatoreinsatz (zu dem nicht die Elemente 4a und 5a gehören) ist separat beispielhaft in Figur 1 und 2 dargestellt. Er kann nach der Verarbeitung einer Produktcharge entsorgt und gegen einen neuen Separatoreinsatz II ausgetauscht werden kann.
Ein solcher Separator mit einem einfach wechselbaren Separatoreinsatz kann bei der Verarbeitung von Produkten sinnvoll und vorteilhaft sein, bei denen mit sehr hoher Sicherheit auszuschließen ist, dass während der zentrifugalen Verarbeitung Verunreinigungen in das Produkt - eine fließfähige Suspension oder seine Phasen - eingetragen werden oder bei denen eine Reinigung und Desinfektion des Separators sehr aufwendig oder gar nicht möglich wäre.
Das Gestell I weist eine Konsole 1-1 auf. Diese kann - muss aber nicht - auf einem Wagen I-2 mit Rollen I-3 gelagert sein. An der Konsole 1-1 können Aufnahmen I-4 und I-5 angeordnet sein, die zur Aufnahme und zum Halten des Separatoreinsatzes II auch im Betrieb dienen. Vorzugsweise ragt ein erstes axiales Ende des Separatoreinsatzes II von unten in die obere Aufnahme I-4 ein und ein unteres Ende des Separatoreinsatzes II ragt von oben in die andere Aufnahme I-5 ein.
In den jeweiligen Aufnahmen I-4 und I-5 können jeweilige Stator-Einheiten 4a, 5a von zwei Antriebs- und Magnetlagereinrichtungen 4 und 5 angeordnet sein. Die Steuer- und Leistungselektronik hierfür kann im Gestell I, z.B. in der Konsole 1-1 angeordnet sein.
Hier stehen diese Aufnahmen I-4 und I-5 seitlich von der Konsole 1-1 des Gestell I vor. Sie können an der Konsole 1-1 höhenverstellbar angeordnet sein.
An den Aufnahmen I-4 und I-5 und an einem sich im Betrieb nicht drehenden Gehäuse 1 des Separatoreinsatzes II können korrespondierende Formschlussmittel ausgebildet sein, um den Separatoreinsatz II drehfest in die Statoreinheiten 4a, 5a einsetzen zu können. Die obere und die untere Statoreinheit 4a, 5a können jeweils miteinander fluchtende Achsen aufweisen.
Zum Wechseln des Separatoreinsatzes II kann vorgesehen sein, dass die beiden Aufnahmen I-4 und I-5 mit den Statoreinheiten 4a, 5a, an dem Gestell 1-1 axial - und hier beispielhaft auch vertikal - relativ zueinander beweglich, insbesondere verschieblich angeordnet sind.
In diesem Fall kann beispielsweise vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Aufnahmen I-4 und I-5 mit den Statoreinheiten 4a, 5a am Gestell I axial auseinander und wieder aufeinander zu bewegt werden können, um den Separatoreinsatz II zu wechseln, d.h. um den alten Separatoreinsatz II aus dem Gestell I herausnehmen und gegen einen neuem austauschen zu können. Es kann dazu weiter vorgesehen sein, dass der relative Abstand der Aufnahmen I-4 und I-5 mit den Statoreinheiten 4a, 4b der Lagereinrichtungen 4, 5 verstellbar ist, um den Separatoreinsatz II wechseln zu können.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass der Separatoreinsatz II form- und/oder kraftschlüssig drehfest an dem Gestell I befestigbar ist. Nach einer besonders einfachen Variante können dazu das Gehäuse 1 und die Statoreinheiten 4a, 5a korrespondierende Formschlussmittel wie Vorsprünge (z.B. Stifte) und Ausnehmungen (z.B. Bohrungen) aufweisen, um das Gehäuse 1 drehtest an den Statoreinheiten und damit am Gestell I zu halten. In Fig. 4 sind entsprechende Formschlussmittel 41 und 42 umfangsverteilt im unteren und oberen Bereich des Separatoreinsatzes II sowie am Gestell angeordnet. Es ist allerdings auch möglich, dass lediglich ein Formschlussmittel anstelle mehrerer Formschlussmittel im unteren oder oberen Bereich des Separatoreinsatzes II und an der korrespondierenden Stelle am Gestell I vorgesehen ist. Die korrespondierenden Formschlussmittel in Fig. 3 und Fig. 4 sind Stifte 41 a und Ausnehmungen 41 b. Die korrespondierenden Formschlussmittel können auch direkt am Gestell I ausgebildet sein. Die korrespondierenden Formschlussmittel können symmetrisch aber auch unsymmetrisch angeordnet sein, um sicherzustellen, dass der Separatoreinsatz nur in einer einzigen Orientierung eingesetzt werden kann.
Nachfolgend sei unter Bezug auf Figur 1 und Fig. 2 der Aufbau bevorzugter Separatoreinsätze II nebst dem Aufbau des Antriebs- und Lagersystems des Separators, der Steuerung des Separators und des Zu- und Ablaufsystems des Separators näher beschrieben.
Nach Fig 1 und 2 weist der Separatoreinsatz II des Separators jeweils ein Gehäuse 1 und einen in das Gehäuse 1 eingesetzten, im Betrieb relativ zum Gehäuse 1 drehbaren Rotor 2 auf. Der Rotor 2 weist eine Drehachse D auf. Diese kann vertikal ausgerichtet sein, was dem Aufbau des Gestells I entspricht. Sie kann aber auch anders im Raum ausgerichtet werden, wenn das Gestell auch entsprechend gestaltet ist.
Der Rotor 2 des Separatoreinsatz II weist zudem eine drehbare Trommel 3 auf. Der Rotor 2 ist an zwei axial zueinander in Richtung der Drehachse voneinander beab- standeten Orten mit jeweiligen Magnetlagereinrichtungen 4, 5 drehbar gelagert. Vorzugsweise ist er bzw. auch die Trommel 3 an den beiden axialen Enden derart gelagert. Der Separatoreinsatz II weist dabei Rotoreinheiten 4b, 5b der Magnetlagervorrichtungen 4, 5 auf. An dem Gestell 1-1 sind hingegen Statoreinheiten 4a, 5a der Magnetlagereinrichtungen 4, 5 angeordnet.
Die Magnetlagereinrichtungen 4, 5 wirken bevorzugt radial und axial und halten den Rotor 2 bevorzugt im Gehäuse 1 zu diesem beabstandet in der Schwebe.
Dabei können die Rotoreinheiten 4b, 5b im Wesentlichen nach Art von Innenringen aus Magneten, insbesondere Permanentmagneten, ausgebildet sein und die wiederverwendbaren Statoreinheiten 4a, 5a, können im Wesentlichen nach Art von Außenringen, die zur axialen und radialen Lagerung des Rotors 2 (z.B. oben) oder alternativ auch zum Drehantrieb (z.B. unten) genutzt werden.
Somit stellen die Rotoreinheiten 4b und/oder 5b als Teil des Separatorantriebs auch einen Teil des rotierenden Systems bzw. Rotors dar. Anders ausgedrückt ist somit der Rotor des Antriebs ein Teil der Trommel des Zentrifugalseparators.
Eine oder beide der Magnetlagereinrichtungen 4, 5 wird/werden somit vorzugsweise ergänzend auch als Antriebsvorrichtung zum Drehen des Rotors 2 mit der Trommel 3 im Gehäuse 1 genutzt. In diesem Fall bildet die jeweilige Magnetlagereinrichtung eine kombinierte Magnetlager- und Antriebseinrichtung aus. Die Magnetlagereinrichtungen 4, 5 können als Axial- und/oder Radiallager ausgebildet sein, welche die Trommel 3 an ihren Enden während des Betriebes insgesamt zusammenwirkend axial und radial lagern und insgesamt im Betrieb schwebend halten und drehen.
Die Magnetlagereinrichtungen 4 und 5 können vom grundsätzlichen Aufbau her gleich oder weitgehend gleich ausgebildet sein. Dabei kann insbesondere nur die eine der beiden Magnetlagereinrichtungen 4, 5 ergänzend auch als Antriebsvorrichtung Verwendung finden. Es sind somit jeweils korrespondierende Bauteile der Magnetlager 4, 5 am Separatoreinsatz II - an dessen Rotor 2 - und andere korrespondierende Teile am Gestell I ausgebildet. Eine oder beide Statoreinheiten 4a, 5a können dabei auch mit einer Steuer- und Leistungselektronik zum Ansteuern der elektromagnetischen Komponenten der Magnetlagereinrichtungen elektrisch verbunden sein.
Die jeweilige Magnetlagereinrichtung 4, 5 kann z.B. nach einem kombinierten elektro- und permanentmagnetischen Wirkprinzip arbeiten.
Vorzugsweise dient zumindest die untere axial wirkende Magnetlagereinrichtung 5 dazu, den Rotor 2 innerhalb des Gehäuses 1 axial durch Levitation in der Schwebe zu halten. Sie kann einen oder mehrere erste Permanentmagnete beispielsweise an der Unterseite des Rotors aufweisen und weiterhin an einer Aufnahme am Gestell Elektromagnete aufweisen, welche den oder die Permanentmagneten koaxial umgeben. Der Antrieb des Rotors kann elektromagnetisch erreicht werden. Es ist aber auch ein Antrieb über rotierende Permanentmagneten realisierbar. Derartige Lager- und Antriebsvorrichtungen werden beispielsweise von der Firma Levitronix z.B. für den Antrieb von Zentrifugalpumpen verwendet (EP2 273 124 B1 ). Sie können auch im Rahmen dieser Schrift eingesetzt werden. Als Antrieb kann beispielsweise ein erster Levitronix-Motor „Unten“ eingesetzt werden, der zugleich die Trommel magnetisch radial und axial lagert. Zudem kann ein zweiter - beispielsweise bis auf die Steuerung im Betrieb baugleicher - Levitronix-Motor vorgesehen sein, welcher als das Magnetlager 4 den Rotor 2 am Kopf radial und axial lagern kann.
Die Rotordrehzahl kann mit Hilfe einer Steuereinrichtung 37 (siehe Fig. 1 oder 2) oder einer dazu separaten Steuereinrichtung der Magnetlager 4, 5 variabel eingestellt werden. Ebenso kann die Drehrichtung des Rotors 2 derart vorgegeben und verändert werden.
Im Betrieb dreht sich der Rotor 2. Dabei wird er somit axial in der Schwebe gehalten und radial zentriert. Vorzugsweise wird der Rotor 2 mit der Trommel 3 mit einer Drehzahl zwischen 1.000, vorzugsweise 5.000 bis 10.000, ggf. auch bis zu 20.000 Umdrehungen pro Minute betrieben. Die aufgrund der Rotation entstehenden Zentrifugalkräfte führen zur bereits weiter oben beschriebenen Trennung einer zu verarbeitenden Suspension in verschiedene fließfähige Phasen LP, HP unterschiedlicher Dichte und zu deren Ableitung, wie weiter unten näher beschrieben. Dabei erfolgt die Verarbeitung der Produktcharge im kontinuierlichen Betrieb, was bedeutet, dass die aus der Suspension getrennten Phasen während des Betriebs vollständig wieder aus der Trommel abgeleitet werden.
Damit ist es sehr gut möglich, für einen Separator einen Separatoreinsatz nebst Gehäuse zu schaffen, der insgesamt für eine Einmalverwendung auslegt werden kann, was wiederum insbesondere in Hinsicht für die Verarbeitung pharmazeutischer Produkte wie Fermentationsbrühen oder dgl. von Interesse und Vorteil ist, da nach dem Betrieb zur Verarbeitung einer entsprechenden Produktcharge im während der Verarbeitung der Produktcharge vorzugsweise kontinuierlichen Betrieb keine Reinigung der Trommel durchgeführt werden muss, da der gesamte Separatoreinsatz austauschbar ist. Ggf. können einzelne Elemente wie Magnete geeignet recycelt werden (siehe auch die DE 10 2017 128 027 A1 ). Das Gehäuse 1 besteht bevorzugt aus einem Kunststoff- oder aus einem Kunststoff- Verbundwerkstoff. Das Gehäuse 1 kann zylindrisch ausgebildet sein und einen zylindrischen Außenmantel aufweisen, an dessen Enden zwei sich radial erstreckende Begrenzungswände 6, 7 (Deckel und Boden) ausgebildet sind.
Die Trommel 3 dient zur zentrifugalen Trennung einer fließfähigen Suspension S im Zentrifugalfeld in zumindest zwei Phasen LP, HP verschiedener Dichte, die beispielsweise eine leichtere Flüssigkeitsphase und eine schwere Feststoffphase oder eine schwere Flüssigkeitsphase sein können.
Der Rotor 2 und seine Trommel 3 weisen in bevorzugter Ausgestaltung eine vertikale Drehachse D auf. Das Gehäuse 1 und der Rotor 2 könnten aber auch anders im Raum ausgerichtet werden. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf die dargestellte vertikale Ausrichtung (Fig. 3). Bei anderer Orientierung im Raum verändern sich die Ausrichtungen entsprechend der neuen Ausrichtung mit. Zudem werden ggf. einer oder beide Auslässe - noch zu erörtern - anders angeordnet.
Der Rotor 2 des Separators mit der Trommel besteht vorzugsweise ganz oder überwiegend aus einem Kunststoff- oder aus einem Kunststoff-Verbundwerkstoff.
Die Trommel 3 wird bevorzugt jedenfalls abschnittsweise zylindrisch und/oder konisch ausgebildet. Analoges gilt für die weiteren Elemente in dem Rotor 2 und am Gehäuse 1 (bis auf Elemente der Magnetlagereinrichtungen 4, 5).
Das Gehäuse 1 ist nach Art eines Behälters ausgelegt, der vorteilhaft bis auf einige (noch zu erörternde) Öffnungen/Öffnungsbereiche hermetisch geschlossen ausgebildet ist.
Nach Fig. 1 und 2 ist in den beiden axialen Begrenzungswänden 6, 7, die hier beispielhaft oben und unten liegen, des Behälters 1 jeweils eine der Öffnungen ausgebildet.
Die eine der Öffnungen - in der ersten, hier oberen axialen Begrenzungswand 6 - ermöglicht bzw. dient nach Fig. 1 und 2 als Zulauf 8 zum Zuleiten einer im Zentrifugalfeld in wenigstens zwei Phasen unterschiedlicher Dichte - LP und HP - zu trennende Suspension durch das Gehäuse 1 bis in die Trommel 3. Hier ist die erste Phase eine leichtere Phase LP und die zweite Phase eine im Vergleich zur ersten Phase dichtere, schwerere Phase HP.
Eine zweite der Öffnungen - in der zweiten, hier unteren axialen Begrenzungswand 7 - ermöglicht bzw. dient als Ablauf für die zweite schwerere Phase HP direkt aus der Trommel 3 durch das Gehäuse 1 hindurch.
Die Trommel 3 weist ebenfalls Öffnungen auf, die den Öffnungen des Gehäuses jeweils funktional zugeordnet sind.
In eine obere Öffnung 12a an dem einen axialen Ende der Trommel 3 erstreckt sich ein Zulaufrohr 12 für eine zu verarbeitende Suspension. Dieses durchsetzt das Gehäuse 1 , insbesondere dessen eine - hier obere - axiale Begrenzungswand 6. Am Außenumfang ist das Zulaufrohr 12 zum Gehäuse 1 hin nach Fig. 1 abgedichtet in dieses eingesetzt - z.B. schweißend oder klebend - oder ggf. einstückig mit dem Gehäuse als Kunststoffspritzteil ausgeführt. Es besteht vorzugsweise ebenfalls aus Kunststoff. Das Zulaufrohr 12 steht mit einem Ende aus dem Gehäuse 1 oben nach außen vor und erstreckt sich durch die obere Begrenzungswand 6 hindurch bis in die Trommel 3, wobei es die Trommel 3 nicht berührt. Das Zulaufrohr 12 ist somit eine Öffnung des Gehäuses 1 , welche der Öffnung 12a der Trommel 3 funktional zugeordnet ist.
Das Zulaufrohr 12 durchsetzt nach Fig. 1 (aber auch Fig. 2) konzentrisch zur Drehachse des Rotors 2 das Gehäuse 1 und das eine Magnetlager 4, erstreckt sich sodann innerhalb des Gehäuses 1 axial weiter in die drehbare Trommel 3 und endet dort mit seinem andere Ende - einem freien Auslassende.
Das Zulaufrohr 12 mündet nach Fig. 1 und 2 jeweils in der T rommel 3 in einem mit der Trommel 3 drehbaren Verteiler 13. Der Verteiler 13 weist einen rohrartigen Verteilerschaft 14 auf und einen Verteilerfuß 15. Im Verteilerfuß 15 sind einer oder mehrere Verteilerkanäle 16 ausgebildet. Auf den Verteiler 13 kann ein Trenntellerstapel aus hier konischen Trenntellern 17 aufgesetzt sein. Der Verteiler 13 und die Trennteller 17 bestehen vorzugsweise ebenfalls aus Kunststoff. Zudem dient sowohl nach Fig. 1 als auch nach Fig. 2 jeweils eine erste Schälscheibe 33 zum Ableiten der schwereren Phase HP der zwei Phasen HP und LP aus der Trommel 3. Ein Schälscheibenschaft bzw. ein zentrisches Ablaufrohr 34 durchsetzt dabei die zweite axiale Begrenzungswand 7 (siehe Fig. 1 und Fig. 2) des Gehäuses 1 und bildet somit eine weitere Öffnung des Gehäuses 1 . Es steht zudem nach unten aus einer unteren axialen Öffnung 34a der Trommel vor, berührt die Trommel aber nicht.
Die Trommel 3 weist hier nach einer möglichen - aber nicht zwingender - Ausgestaltung zumindest zwei zylindrische Abschnitte 18, 19 verschiedenen Durchmessers auf. An diese angrenzend können einer oder mehrere konische Übergangsbereiche an der Trommel 3 ausgebildet sein. Die Trommel 3 kann in ihrem mittleren axialen Bereich innen auch insgesamt einfach oder doppeltkonisch ausgebildet sein (hier nicht dargestellt).
Wie dargestellt, kann die Trommel 3 einen unteren zylindrischen Abschnitt 20 geringeren Durchmessers aufweisen, an/in dem auch die Rotoreinheit 5b des unteren Magnetlagers ausgebildet ist, das in einen konischen Bereich 20a übergeht, dann hier einen beispielsweise zylindrischen Bereich 19 größeren Durchmessers, dann wieder einen konischen Bereich 18a und dann einen oberen zylindrischen Abschnitt 18 geringeren Durchmessers auf, an dem die Rotoreinheit 4b des obere Magnetlagers 4 ausgebildet ist.
In Hinsicht auf die Ableitung der leichteren Phase unterschieden sich die Separatoreinsätze der Fig. 1 und 2.
Öffnungen (die an der Trommel 3 umfangsverteilt vorgesehen sein können, wobei an der Trommel 3 somit jeweils mehrere Öffnungen vorgesehen sein können) dienen nach Fig. 1 als radiale oder tangentiale Auslasse 21 der leichten Phase LP aus der Trommel 3. Eine Öffnung im Gehäuseaußenmantel ermöglicht nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sodann den Auslass bzw. dient als Ablauf 10 der leichteren sich bei der zentrifugalen Trennung bildenden Produktphase LP, die aus der Trommel 3 ausgeleitet worden ist.
Die ersten Auslasse 21 auf dem Radius ro der Trommel 3 sind insbesondere als „düsenartige“ Öffnungen im Außenmantel der Trommel 3 ausgebildet. Sie sind zudem als sogenannte „freie“ Abläufe aus der Trommel 3 ausgebildet. Dabei dienen die ersten Auslasse 21 zum Ableiten der leichteren Phase LP. Diese aus der Trommel 3 austretende Phase wird im Gehäuse 1 in einer oberen Fang-Ringkammer 23 des Gehäuses 1 aufgefangen. Diese Fang-Ringkammer 23 ist derart ausgestaltet, dass die in ihr aufgefangene Phase zu dem Ablauf 10 der Fang-Ringkammer 23, geleitet wird. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Ablauf 10 an jeweils tiefster Stelle der Fang-Ringkammer 23 liegt. Die Fang-Ringkammer 23 ist radial nach innen zur rotierenden Trommel 3 hin offen und derart beabstandet ausgebildet, dass aus dem jeweiligen Auslass 21 ausspritzende Flüssigkeit während der zentrifugalen Trennung im Wesentlichen nur in die zugehörige - auf gleichem axialen Niveau liegende - Fang-Ringkammer 23 gespritzt wird.
Unterhalb der Fang-Ringkammer 23 kann optional eine nicht zur Ableitung einer Phase dienende Kammer 25 ausgebildet sein. Diese Kammer 25 kann optional einen (hier nicht dargestellten) Leckageablauf aufweisen.
Die erste Fang-Ringkammer 23 und die Kammer 25 können durch eine erste hier konische Wand 26 voneinander getrennt sein, die ausgehend von dem Außenmantel des Gehäuses 1 konisch nach innen sowie oben verläuft und innen beabstandet zur Trommel 3 radial vor dieser endet.
Vorzugsweise am tiefsten Punkt der Fang-Ringkammer wird die Produktphase LP durch den Ablauf 10 aus dem Gehäuse 1 abgeleitet. Es können Stutzen im Bereich des Ablaufs 10 außen am Gehäuse 1 vorgesehen sein, um einfach Leitungen und dgl. anschließen zu können.
Diese können wiederum an dem Gehäuse 1 direkt mit ausgebildet sein oder klebend an diesem angebracht sein. Die Stutzen bestehen vorzugsweise ebenfalls aus Kunststoff. Das Gehäuse 1 kann aus mehreren Kunststoffteilen zusammengesetzt sein, die beispielsweise klebend oder schweißend miteinander abgedichtet verbunden sind.
Als (hier zweiter) Auslass für die schwerere Phase HP aus der Trommel (durch das Gehäuse 1 hindurch) ist nach Fig. 1 und 2 jeweils die erste Schälscheibe 33 vorgesehen, die sich im Wesentlichen radial erstreckt und in ein axial verlaufendes Ablaufrohr 34 als Schälscheibenschaft übergeht, das die untere axiale Begrenzungswand 7 des Gehäuses 1 durchsetzt. Die Schälscheibe 33 weist einen Außendurchmesser ru auf. Dabei gilt ru > ro. Die Einlassöffnungen 33a der Schälscheibe 33 liegen somit auf einem größeren Durchmesser bzw. Radius ru als die Auslasse 21 für die leichte Phase LP auf dem Radius ro. Damit ist es möglich, mit der Schälscheibe 33 eine relativ zur leichteren Phase LP schwerere Phase HP aus der Trommel 3 abzuleiten.
Die Schälscheibe 33 steht im Betrieb des Separators still und taucht mit ihrem äußeren Rand in die in der Trommel 3 rotierende schwerere Phase HP.
Durch die Kanäle in der Schälscheibe 33 wird die Phase HP nach innen abgeleitet. Die Schälscheibe 33 dient somit der Ableitung der Phase HP nach Art einer Zentripetalpumpe.
Die Schälscheibe 33 kann auf einfache und kompakte Weise in der Trommel 3 unterhalb des Verteilers 14 und unterhalb des Tellerpakets 17 angeordnet sein. Der Radius ru entspricht der Eintauchtiefe der Schälscheibe 33.
Das Ableitungsrohr 34 ist mit einem Ende aus dem Gehäuse 1 nach unten aus der Trommel und durch die untere Begrenzungswand 7 herausgeführt ist, wobei es die Trommel 3 dabei aber nicht berührt. Das Ableitungsrohr 34 kann einstückig mit dem Gehäuse 1 ausgebildet sein oder abgedichtet in dieses eingesetzt sein .An das Ableitungsrohr kann sich ein Schlauch oder dgl. als Ableitung 35 anschließen.
Das Ableitungsrohr durchsetzt konzentrisch zur Drehachse D des Rotors 2 das Gehäuse 1 und das untere Magnetlager 5, erstreckt sich sodann innerhalb des Gehäuses 1 axial weiter bis in die Schälscheibe 33.
Es kann vorgesehen sein, dass in den Auslauf für die schwere Phase HP, insbesondere in die Ableitung 35 für die schwerere Phase HP in steuerbares, insbesondere elektrisch steuerbares, Regelventil 36 eingesetzt ist. Durch das Regelventil 36 kann der Volumenstrom der schweren Phase HP in der Ableitung 35 gedrosselt werden und die Eintauchtiefe der zugehörigen Schälscheibe vergrößert werden. Es ist vorzugsweise eine Steuervorrichtung 37 vorgesehen. Das Regelventil 36 ist vorzugsweise mit der Steuervorrichtung 37 drahtlos oder drahtgebunden verbunden.
Die Steuereinrichtung 37 kann auch zur Steuerung der Magnetlager 4, 5 und des Antriebs ausgelegt und vorgesehen sein. Nach Fig. 2 wird auch die leichte Phase LP über eine Schälscheibe ausgetragen.
Dazu ist im hier oberen Bereich der Trommel 3 eine zweite Schälscheibe 22 vorgesehen, deren Einlassöffnungen 22a wiederum auf einem kleineren Radius ro als der Radius ru des Einlasses der ersten - unteren - Schälscheibe 33 für die schwerere Phase liegen kann.
Der Schaft dieser zweiten Schälscheibe 22 kann ringkanalartig wie ein äußeres Ablaufrohr 24 das Zulaufrohr 8 umgeben und statt des Zulaufrohres 8 dicht mit dem Gehäuse 1 verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet sein. Die Ablaufrohre 24, 34 der beiden Schälscheiben 22, 33 sind somit nach Fig. 2 an gegenüberliegenden Enden der Trommel 3 aus dieser herausgeführt. Sie sind ferner an gegenüberliegenden Enden des Gehäuses 1 aus diesem herausgeführt. Sie können abgedichtet in das Gehäuse 1 eingesetzt sein. Sie können aber auch einstückig mit diesem aus Kunststoff gefertigt sein. Das Zulaufrohr 12 kann am oberen Ende des Schälscheibenschafts 24 mit diesem verbunden sein. Aus dem Schälscheibenschaft 24 kann ein radialer oder tangentialer Anschlussstutzen 24a herausgeführt sein. An diesen ist eine Ableitung 40 zur Ableitung der leichten Phase anschließbar, die z.B. in einen Beutel oder Tank dgl. münden kann. Entsprechend können die Enden der Rohre 12 und 34 auch als Stutzen zum Anschluss von Schläuchen oder dgl. ausgebildet sein (Fig.2, aber auch Fig. 1 ).
Es kann vorgesehen sein, dass auch in die Ableitung 40 für die leichte Phase LP ein steuerbares, insbesondere elektrisch steuerbares, Regelventil 39 eingesetzt ist.
Durch das Regelventil 39 kann der Volumenstrom der leichten Phase LP verändert, insbesondere mehr oder weniger gedrosselt werden und damit die Eintauchtiefe der zweiten Schälscheibe 22 verändert werden. Auch das Regelventil 39 ist mit der Steuervorrichtung 37 drahtlos oder drahtgebunden verbunden, so dass es von der Steuervorrichtung 37 ansteuerbar ist.
Bei der jeweiligen Schälscheibe 22, 33 handelt es sich jeweils um eine mit mehreren, beispielsweise mit ein bis sechs, Kanälen versehene zylindrische und im Wesentlichen radial ausgerichtete Scheibe, die im Betrieb still steht und Kanäle aufweist, so dass eine Art Zentripetalpumpe gebildet wird. Die jeweilige Schälscheibe 22 bzw. 33 taucht mit ihrem äußeren Rand in die in dem Separator rotierende Phase LP bzw. HP ein. Durch die Kanäle in der Schälscheibe wird die jeweilige Phase LP, HP nach innen abgeleitet und die Rotationsgeschwindigkeit der jeweiligen Phase LP, HP in Druck umgesetzt. Die jeweilige Schälscheibe 22, 33 ersetzt so eine Ablaufpumpe für die jeweilige Phase LP, HP. Die Schälscheiben arbeiten somit jeweils als Zentripetalpumpe. Sie können aus Kunststoff bestehen.
Es könnte theoretisch auch eine dritte Schälscheibe vorgesehen sein, die zum Ableiten einer weiteren Phase dienen könnte.
Nachfolgend sei der Betrieb der Separatoren nach Fig.1 und dann nach Fig. 2 kurz beschrieben.
Zunächst wird der jeweilige Separator mit seinen Mehrwegkomponenten bzw. wiederverwendbaren Komponenten bereitgestellt. Dazu gehören das Gestell I sowie die Antriebs- und Statoreinheiten 4a, 5a der Magnetlagereinrichtungen. Dazu gehört ferner eine Steuerungseinheit 37. Sodann wird ein Separatoreinsatz II bereitgestellt und am Gestell I montiert. Dazu müssen lediglich die Statoreinheiten 4a und 5a auseinander bewegt werden. Sodann wird der Separatoreinsatz formschlüssig eingesetzt und die Statoreinheiten werden aufeinander zu bewegt. Damit ist das Gehäuse sicher drehfest gehalten. Jetzt werden ggf. noch Schläuche an die Stutzen angeschlossen, die in Tanks oder Beuteln münden. Der jeweilige Separatoreinsatz der Fig.1 und 2 kann daher vorzugsweise zumindest auch Schläuche und Stutzen aufweisen, die an (hier nicht dargestellte) weitere Leitungen sowie Behälter wie Beutel, Tanks, Pumpen und dgl. anschließbar sein können.
Sodann wird nach einem Anschluss der Leitungen und Schläuche und dgl. eine Suspension in die rotierende Trommel geleitet (Zulauf 8) und dort zentrifugal in die leichte Phase LP und die schwere Phase HP getrennt.
Die schwerere Phase HP größerer Dichte strömt in der Trommel 3 im Trennraum radial nach außen. Dort verlässt die Phase HP die Trommel auf einem Radius ru durch die Kanäle der stillstehenden Schälscheibe 33.
Die leichtere Phase LP strömt in der Trommel 3 im Trennraum radial nach innen und steigt durch einen Kanal 38 an einem Schaft des Verteilers nach oben. Dort verlässt die Phase LP die Trommel nach Fig. 1 und 2 jeweils auf einem Radius ro.
Mit dem oder den Regelventilen 36, 39 kann dabei auf einfache Weise auf den Trennprozess Einfluss genommen werden. Dies resultiert in einer Optimierung des Trennprozesses.
Als Hauptanwendung des erfindungsgemäßen Separators sind Zellabtrennungen in der pharmazeutischen Industrie vorgesehen. Der Leistungsbereich ist gedacht für die Verarbeitung von Brühen aus Fermentern in der Größenordnung von 100 1 — 4000 I sowie für Laboranwendungen.
Denkbar wären auch andere Bereiche der Industrie, in denen Separatoren zum Einsatz kommen: Chemie, Pharmazie, Molkereitechnik, nachwachsende Rohstoffe, Öl und Gas, Getränketechnik, Mineralöl, usw.
Die dargestellten Separatoren ermöglichen die Herstellung eines Separatoreinsatzes, bei dem vorzugsweise alle produktberührenden Komponenten aus Kunststoff oder anderen nichtmagnetischen Werkstoffen gefertigt sein können, die nach einmaligem Gebrauch entsorgt oder einem Recyclingprozess zugeführt werden können. Eine Reinigung nach Benutzung entfällt somit. Der Separator und dessen Betrieb können damit kostengünstig umgesetzt werden.
Fig. 5 zeigt eine Abwandlung eines Separatoreinsatzes II der Fig. 4 in einer zweiten Ausführungsvariante, wobei identische Merkmale mit analogen Bezugszeichen versehen sind. Die Besonderheit dieser zweiten Ausführungsvariante ist, dass das oder die Formschlussmittel 41 b und die entsprechenden am Gestell I vorgesehenen Formschlussmittel 41 a lediglich eine einseitig zwischen dem Gestell I und dem Gehäuse des Separatoreinsatzes II bestehen und dadurch ebenfalls eine Axial- und Verdrehsicherung des Separatoreinsatzes II gegenüber dem Gestell I ermöglicht wird. Dadurch verringert sich u.a. die Komplexität des Aufbaus. Bezugszeichen
Gestell I
Konsole 1-1
Wagen I-2
Rollen I-3
Aufnahmen I-4, I-5
Separatoreinsatz II
Gehäuse 1
Rotor 2
Trommel 3
Magnetlagereinrichtungen 4, 5
Statoreinheiten 4a, 5a
Rotoreinheit 4b, 5b radiale Begrenzungswand 6, 7 Zulauf 8
Ablauf 10
Zulaufrohr 12
Öffnung 12a
Verteiler 13
Verteilerschaft 14
Verteilerfuß 15
Verteilerkanal 16
Trennteller 17 zyl. Abschnitte 18, 19, 20 kon. Abschnitte 18a, 20a
Auslasse 21
Schälscheibe 22
Einlassöffnungen 22a
Fang-Ringkammer 23
Ablaufrohr 24
Anschlussstutzen 24a
Kammer 25
Konische Wand 26
Schälscheibe 33
Einlassöffnungen 33a
Ablaufrohr 34
Öffnung 34a
Ableitung 35
Regelventil 36
Steuereinrichtung 37
Kanal 38
Regelventil 39
Ableitung 40 Formschlussmittel 41
Stifte 41 a
Ausnehmungen 41 b
Formschlussmittel 42
Drehachse D
Suspension S
Phasen LP, HP Radien ro, ru

Claims

24
Patentansprüche Separatoreinsatz für einen Separator, der zur Trennung einer fließfähigen Suspension (S) in einem Zentrifugalfeld in wenigstens zwei fließfähige Phasen (LP, HP) verschiedener Dichte ausgelegt ist und der folgendes aufweist: a) ein im Betrieb stillstehendes Gehäuse (1 ), das nach Art eines Behälters ausgelegt ist, der bis auf eine Mehrzahl an Öffnungen geschlossen ausgelegt ist, wobei diese Öffnungen zumindest wie folgt ausgelegt sind: als ein Zulauf (8) für eine zulaufende Suspension, ausgebildet an einer ersten axialen Begrenzungswand (6) des Gehäuses (1 ) und als zwei Öffnungen zum Ablauf (10, 34) jeweiliger fließfähiger Phasen verschiedener Dichte (LP, HP) an einem Außenmantel des Gehäuses (1 ) und einer zweiten axialen Begrenzungswand (7) des Gehäuses oder als zwei Öffnungen zum Ablauf (24, 34) jeweiliger fließfähiger Phasen verschiedener Dichte (LP, HP) an der ersten und der zweiten axialen Begrenzungswand (6, 7) des Gehäuses (1 ), b) einen innerhalb des Gehäuses (1 ) angeordneten und um eine Drehachse (D) drehbaren Rotor mit einer Trommel (3), welche Öffnungen aufweist, c) wobei sich in eine der Öffnungen (12a) der Trommel (3) an einem ersten ihrer beiden axialen Enden ein sich im Betrieb nicht drehendes Zulaufrohr (12) zur Zuleitung der zu verarbeitenden Suspension in die Trommel (3) erstreckt, welches die Trommel (3) nicht berührt, und wobei wenigstens ein Auslass für eine erste der fließfähigen Phasen aus der Trommel (3) als eine Schälscheibe (33) ausgebildet ist, die sich im Betrieb nicht dreht und die ein Ablaufrohr (34) aufweist, das am gegenüberliegenden zweiten axialen Ende der Trommel (3) aus der Trommel (3) geführt ist, d) ein der Trommel (3) angeordnetes Trennmittel, e) zumindest zwei Rotoreinheiten (4b, 5b) für Magnetlagereinrichtungen (4, 5) an zwei axial beabstandeten Stellen des Rotors (2) mit der Trommel (3), mit welchen der Rotor
(2) mit der Trommel (3) im Betrieb innerhalb des Gehäuses in der Schwebe haltbar, drehbar lagerbar und in Drehung versetzbar ist. Separatoreinsatz nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass weitere Öffnungen der Trommel (3) als freie radiale Auslässe (21 ) für eine zweite der fließfähigen Phasen aus der Trommel (3) in das Gehäuse (1 ) ausgelegt sind, aus dem sie ableitbar ist.
3. Separatoreinsatz nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass den freien Auslässen (21 ) eine Fang-Ringkammer (23) des Gehäuses (1 ) zugeordnet ist, die einen Ablauf (10) aus dem Gehäuse aufweist.
4. Separatoreinsatz nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass er eine zweite Schälscheibe (22) aufweist.
5. Separatoreinsatz nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schälscheibe (22) einen Schälscheibenschaft (24) nach Art eines Ableitungsrohres aufweist, das koaxial zum Zuleitungsrohr (12) ausgebildet ist und koaxial zu diesem aus der Trommel und durch die Öffnung (12a) in der ersten axialen Begrenzungswand (6) des Gehäuses (1 ) geführt ist.
6. Separatoreinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Schälscheibe (33) strömungsseitig ein Regelventil (36) nachgeschaltet ist.
7. Separatoreinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiten Schälscheibe (22) strömungsseitig ein Regelventil (39) nachgeschaltet ist.
8. Separatoreinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Separatoreinsatz (II) eine vormontierte, wechselbare Einheit zum Einsetzen in ein Gestell (I) des Separators bildet.
9. Separatoreinsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) und die Trommel (3) ganz oder überwiegend aus Kunststoff oder einem Kunststoffverbundwerkstoff bestehen.
10. Separatoreinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoreinheiten (4b, 5b) für die Magnetlagereinrichtungen (4, 5) an den beiden axialen Enden der Trommel (3) angeordnet sind und dass das Zulaufrohr (12) und das Ablaufrohr (34) der ersten Schälscheibe (33) jeweils eine der beiden Rotoreinheiten (4b, 5b) axial durchsetzen. Separatoreinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder beide der Magnetlagereinrichtungen (4, 5) auch zum Drehen und zur Drehzahlverstellung der Trommel nutzbar ist/sind und dass eine oder beide der Magnetlagereinrichtungen (4, 5) radial und axial lagernd wirken und den Rotor (2) im Betrieb im Behälter (1 ) zu diesem beabstandet in der Schwebe halten. Separatoreinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in die Trommel (3) als das Trennmittel ein Paket aus Trenntellern (17) eingesetzt ist und dass die erste Schälscheibe (33) in der Trommel (3) unterhalb des Verteilers (14) und unterhalb des Tellerpakets (17) angeordnet ist. Separatoreinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche seiner Bestandteile zu der vormontierten Einheit zusammengesetzt sind, wobei sämtliche produktberührenden Elemente aus Kunststoff oder einem anderen nichtmagnetischen Material bestehen. Separatoreinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zulaufrohr (12) und die Abläufe bzw. Ablaufrohre nach Art von Stutzen aus dem Gehäuse (1 ) nach außenvorstehen, wobei diese Stutzen mit dem Gehäuse (1 ) abgedichtet verbunden oder einstückig mit diesem ausgebildet sind. Separatoreinsatz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse bis auf die Öffnungen mit dem Zulaufrohr (12) und den Abläufen bzw. Ablaufrohren hermetisch geschlossen ausgebildet ist. Separator mit einem Gestell (I) und einem an dem Gestell wechselbar angeordneten Separatoreinsatz (II) nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche. Separator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass an ihm voneinander beabstandete Aufnahmen (I-4, I-5) mit Statoreinheiten (4a, 5a) der 27
Lagereinrichtungen (4, 5) ausgebildet sind, zwischen welchen der Separatoreinsatz (II) drehtest wechselbar einsetzbar ist. Separator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der relative Abstand der Aufnahmen (I-4 und I-5) mit den Statoreinheiten (4a, 5a) der Lagereinrichtungen (4, 5) verstellbar ist, um den Separatoreinsatz (II) zu wechseln. Separator nach Anspruch 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) des Separatoreinsatzes (II) form- und/oder kraftschlüssig drehtest an dem Gestell (I) befestigbar ist. Separator nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) und zumindest eine der Aufnahmen (I-4, I-5) korrespondierende Formschlussmittel aufweist, um das Gehäuse (1 ) drehtest an der Aufnahme zu halten. Separator nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) und lediglich eine Aufnahme (I-5) korrespondierende Formschlussmittel (41 a, 41 b) aufweisen, um das Gehäuse (1 ) drehtest an der Aufnahme (I-5) zu halten. Separator nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) und die Aufnahmen (I-4 und I-5) korrespondierende Formschlussmittel (41 a, 41 b, 42) aufweisen, um das Gehäuse (1 ) drehtest an den Aufnahmen zu halten. Separator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieser eine Steuereinrichtung (37) aufweist, die zumindest mit dem einen oder den mehreren Regelventilen (36, 39) verbunden ist.
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