WO2017016640A1 - Mischsystem, mischvorrichtung, behälter und verfahren zum mischen eines fluids und/oder eines feststoffs - Google Patents

Mischsystem, mischvorrichtung, behälter und verfahren zum mischen eines fluids und/oder eines feststoffs Download PDF

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Sartorius Stedim Biotech GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a mixing system, a mixing device, a container and a method for mixing a fluid and / or a solid.
  • Mixing systems such as e.g. Bioreactors and pallet tanks are used for receiving, storing and mixing biological media, e.g. Fluids and / or solids.
  • biological media may be stored in containers such as e.g. Be provided bags that may include a volume of several hundred liters. The biological media are introduced into the bioreactor within such a bag, in which they can be stored, tempered and / or mixed. In such a bioreactor, different studies can be made on the biological medium.
  • the handling of the bioreactor is usually carried out in a sterile environment.
  • the mixing of the biological medium can take place by means of a rotating stirring element, which is arranged in the bag and is driven from outside the bag.
  • the media-contacting stirring element is driven in rotation, without a rotating element such as a stirring shaft must be introduced into the sterile area inside the bag.
  • the drive of the stirring element does not come into contact with the medium, is not contaminated and does not need to be cleaned and / or sterilized for a subsequent process.
  • a mixing device in which a media-contacting stirring element via a permanent magnet-based Coupling coupling with an external drive motor.
  • two mutually associated coupling halves are equipped with permanent magnets.
  • one is arranged in the interior of the bag and formed in contact with the media, the other arranged outside the bag and formed effetnunizingend.
  • the permanent magnets are arranged in their orientation so that they attract each other and transmit a torque of an outer, driven by the drive motor coupling half to an inner coupling half, which rotates with the stirring element.
  • the previously known mixing system with the permanent magnets has several disadvantages.
  • connection structures, especially for the clutch are relatively high and are of particular importance when bag systems are used in which the media-contacting coupling half is disposed of with the expensive permanent magnets.
  • the magnetic attraction of the permanent magnets is designed for the maximum torque to be transmitted. All located in the power flow during power transmission connection parts, such as a housing, a ball bearing, a bag connection, etc. are charged regardless of the actual transmitted torque with the maximum attractive force of the permanent magnet. This can lead to unnecessary noise developments and / or heat developments at lower torques, or even to the formation of abrasion. Furthermore, the high permanent attraction between the coupling halves makes it difficult to assemble and disassemble the bag since there is a risk of becoming trapped when the coupling half snaps. In addition, when disassembling the bag, a high degree of attraction must first be overcome in order to separate the coupling halves from each other.
  • the invention has for its object to provide an improved mixing system, which reduces at least one of the disadvantages described above.
  • a first aspect relates to a mixing system, in particular a bioreactor and / or a pallet tank, for mixing a fluid and / or a solid with a container, wherein inside the container, the fluid and / or the solid and a rotatable stirring element for mixing the fluid and / or the solid are arranged.
  • the mixing system has a mixing device with a receptacle for receiving the container and a drive device for driving the stirring element.
  • the drive device has a stator of a three-phase machine
  • the stirring element has a rotor of the three-phase machine.
  • the rotor has at least one permanent magnet and / or at least one squirrel-cage rotor.
  • the mixing device can in particular be designed as a bioreactor and / or a pallet tank of the type described above.
  • the mixing device has a receptacle into which the container can be introduced.
  • the container includes the fluid and / or the solid that is mixed in the mixing device.
  • the container may be formed as a flexible bag, so have a flexible bag wall.
  • the container may have substantially rigid and / or rigid container walls, which may be formed, for example, metallic or from a hard plastic.
  • the container may be formed as a so-called "single-use bag", so as a disposable bag that can be disposed of after the mixing process.
  • the container in particular of a plastic, such as a transparent Plastic, be formed.
  • the container also has the stirring element, with which a stirring motion is carried out during mixing.
  • the stirring element may in particular have a stirring shaft and / or be designed as a stirring shaft.
  • the receptacle can be designed to receive and / or store a predetermined container. Is e.g. a flexible bag provided as a container, the receptacle may be formed as a substantially rigid container, so have substantially rigid container walls. If a substantially rigid container is provided, the receptacle can be designed as a bearing for the container with stationary coupling attachments for the stirring shaft.
  • the stirring element is driven by the drive device of the mixing device, ie offset in a rotational movement, in which the stirring element in the interior of the container by the fluid and / or the solid performs a rotational movement, ie a rotational movement.
  • the fluid or the solid is mixed.
  • the drive device may in particular be arranged adjacent to the receptacle, for example, be formed directly above the receptacle or on and / or in the bottom of the receptacle.
  • the stirring element arranged in the container is coupled to the drive device arranged outside the container. The coupling takes place through the container and is sufficiently strong to support a drive device facing the end of the stirring element to the drive device.
  • the rotational movement of the stirring element is caused by the three-phase machine, which is operated as an electric motor and drives the stirring element.
  • the three-phase machine can be operated as a three-phase motor, ie with three-phase alternating current.
  • the three-phase machine has both a stator and a rotor.
  • the stator is part of the drive device.
  • the drive device can also be designed as the stator.
  • the stator is essentially stationary and performs no rotational movement, in particular in the frame of reference of the earth.
  • the rotor is formed as part of the stirring element, in particular, the stirring element may be formed as the rotor.
  • the rotor may in particular be formed at the end of the stirring element, which faces in an operating position of the drive device. In this case, a rotational movement of the rotor directly also causes a rotational movement of the stirring element and / or a stirring shaft of the stirring element, which is rigidly connected to the rotor.
  • the rotor is coupled to the stator such that, during operation of the three-phase machine, the rotor performs a rotational movement in the interior of the container.
  • the coupling of the rotor to the stator takes place through a wall of the container and / or via a wall of the container.
  • the stator may have one or more electrical coils which are supplied with electric current.
  • the coils may e.g. be operated with a three-phase current.
  • Magnetic fields are thereby generated by the coils in such a way that they interact with the rotor, which in turn has a magnetic field which is generated by its permanent magnet and / or its squirrel-cage rotor. The interaction of the magnetic fields involved thereby generates the rotational movement of the stirring element.
  • squirrel-cage rotor also referred to as squirrel-cage rotor
  • the principle of a squirrel-cage rotor is basically known to the person skilled in the art.
  • the squirrel cage current is induced by the stator current in a permanently shorted cage having massive turns.
  • the squirrel cage rotor acts as a magnet whose magnetic field interacts with the magnetic field of the stator and thereby causes the rotation of the rotor.
  • the drive device is designed as a non-media-contacting (also referred to as "not media-touched”) part. This means that the drive device is not in touching contact with the fluid to be mixed and / or solid, in particular not during the mixing process.
  • the stirring element arranged in the container of the mixing system is in contact with the medium (also referred to as "in contact with the medium") and thus is in contact with the fluid and / or solid.
  • the stator may have a coil arrangement, which is supplied via a frequency converter with three-phase current. A magnetic field induced by the three-phase current of the coils of the coil arrangement, the so-called stator magnetic field, attracts the permanent magnet and / or the short-circuit rotor of the rotor and thus causes it to rotate.
  • the rotor may have a permanent magnet-free design and only have the squirrel cage rotor or squirrel cage rotor, in which case the rotor magnetic field is caused by the stator magnetic field generated in the coils of the stator and a relative movement of the squirrel cage rotor according to the principle of the asynchronous motor.
  • the stator is designed as a non-media-contacting element of the three-phase machine
  • the rotor is designed as a media-contacting element of the three-phase machine.
  • a separate coupling is not necessary because no torque has to be transmitted from outside the container to the inside, but the torque can be generated by the three-phase machine directly and exclusively within the container.
  • an additional (for example external) rotary drive can be dispensed with, the torque of which has to be transmitted to the stirring element.
  • all elements of the mixing device can be formed stationary and non-rotating, while only the stirring element performs a rotational movement during mixing. In particular, no rotational movement of any element of the mixing device located outside the container is necessary and / or provided.
  • the drive device may have a coil arrangement which generates an electromagnetic rotary field.
  • the permanent magnets of the rotor can be designed to be smaller and / or less strong with the same torque to be transmitted or by a simple and simple method inexpensive metal rotor, namely the squirrel cage are replaced. This is a cost advantage especially for disposable bags as a container, since only cheaper or no permanent magnets are disposed of. This allows a cost-effective design with space savings and material savings of the connecting parts.
  • the attractive force between the stator and rotor can be adapted to the torque just required.
  • the connection parts of the coupling are loaded only with a high attraction force, if it is also required for the transmission of high torque.
  • noise, heat generation and abrasion can be reduced.
  • the attraction between the stator and rotor can be controlled by the applied voltage or the three-phase current, the attraction force during assembly and / or disassembly can be reduced and / or turned off. As a result, even at high torques to be generated during mixing, safe and easy assembly and disassembly of the bag is possible at times when it is not mixed.
  • the three-phase motor and the drive also the risk of influencing medical implants of the operating staff is reduced or eliminated.
  • the stator and rotor as the electromagnetic clutch can be dispensed with an additional rotary drive whose torque would have to be transferred to the stirring element. By dispensing with such an additional external rotary drive, the overall height of the mixing device can be reduced.
  • the rotor When using a purely metallic rotor without permanent magnets (ie the variant in which the rotor only at least one squirrel cage rotor and no Permanent magnet having) disposal of the media-contacting elements, so the rotor, simplified compared to the disposal of a rotor with permanent magnets.
  • the drive device operates in the non-media-contacting area substantially free of wear, since all the rotating elements, namely all elements of the stirring element including the rotor, are formed in the media-contacting area, which can be disposed of with the container after the mixing operation.
  • a rotor magnetic field caused by the rotor interacts with a stator magnetic field generated by the stator. Due to the interaction of the two magnetic fields, the rotational movement of the stirring element is effected.
  • the rotor magnetic field caused by the rotor can be the magnetic field of the at least one permanent magnet of the rotor and / or the magnetic field generated by the at least one squirrel cage rotor.
  • the two magnetic fields interact with each other according to the principle of the three-phase motor and / or the asynchronous motor.
  • the stirring element is mounted on the drive device by means of electrically controllable magnetic force.
  • the stator and the rotor form a coupling of the stirring element to the drive device.
  • the stirring element is mounted in particular with the rotor to the stator of the drive device.
  • the stirring element may be mounted so that it is stationary rotatable. In this case, the stirring element rotates about its axis of rotation when it is driven by the drive device.
  • the storage of the stirring element to the drive device is at least partially magnetic. In addition, the storage can be mechanically supported. Alternatively, the coupling can be purely magnetic.
  • the stator is at least so strongly supplied with current that an attraction between the stator and rotor for safe storage of the stirring element can be used.
  • the magnetic force is electrically controlled.
  • the stirring element is in contact contact with the fluid and / or solid.
  • the drive device is not in contact with the fluid and / or solid.
  • the stirring element is designed as a media-contacting element, the drive device as a non-media-contacting element.
  • no component of the drive device penetrates into the container.
  • a particularly efficient separation of the elements of the mixing device is provided. Since no element of the drive device penetrates into the container, the drive device also has to meet only low requirements for sterility and not be cleaned and / or sterilized after each process.
  • the mixing device has a control for driving at least one electrical coil of the stator.
  • the stator has at least one electrical coil, preferably a plurality of electrical coils.
  • the stator can thus be designed as a coil arrangement with a plurality of electrical coils.
  • a controller drives the electrical coil (s) of the stator.
  • the current and / or the voltage is controlled and / or adjusted, which flows through the electric coil and is applied to this.
  • the attraction between the stator and the rotor is adjustable, in particular during assembly and disassembly of the stirring element in the mixing device.
  • the attraction force in the mixing process is controlled and / or adjusted by the controller.
  • the control can be carried out, for example, by means of at least one potentiometer and / or digitally by means of an IC and / or a processor such as a computer.
  • the controller improves control of mixing and / or assembly / disassembly.
  • the controller controls an attraction between rotor and stator on the one hand and / or a rotational speed of the rotor on the other hand and / or adjusts this.
  • the control of the attraction is particularly in the assembly and disassembly of the Stirring element on or in the drive device advantageous.
  • the control and / or the setting of the rotational speed of the rotor corresponds to a control and / or a setting of the rotational speed of the stirring element by the medium, ie the fluid and / or the solid.
  • By controlling the rotational speed of the mixing process is controlled. This provides a substantially complete control of the mixing process, in particular the strength, intensity and / or duration of the mixing process.
  • the container is designed as a flexible bag.
  • the mixing device has a container for receiving the flexible bag.
  • the container is designed as a receptacle and is designed to safely store the flexible bag during stirring.
  • the container may have rigid walls on which elements of the mixing device can be supported and / or stored.
  • the mixing device has a rotational speed monitoring device of the stirring element.
  • the speed monitoring device can be formed optically, acoustically and / or inductively, etc.
  • the speed monitoring device may be formed as part of the above control.
  • a control of the currently achieved rotational speed of the stirring element can be provided by the rotational speed monitoring device, and on the other hand, for example, a maximum and / or minimum of a desired rotational speed of the stirring element can be set.
  • the speed monitoring device may be designed to prevent the exceeding of a maximum speed, for example to limit the formation of heat and / or abrasion and / or noise.
  • the mixing device has a magnetic force limitation and / or torque limitation of the three-phase motor.
  • the magnetic force limitation and / or torque limitation may be formed as part of the above-mentioned control. Similar to the speed monitoring device, the magnetic force limitation and / or the torque limitation can cause the generation of heat, noise and / or abrasion limit and / or reduce the mixing device.
  • the magnetic force limitation and / or torque limitation can be realized by limiting the applied to the stator three-phase current.
  • the mixing device is designed as a bioreactor and the fluid and / or the solid are formed as a biological fluid and / or a biological solid.
  • the mixing device is particularly efficient and advantageous because the bioreactor all media-contacting components must meet high sterility requirements.
  • the drive device and thus also the stator of the three-phase motor can be designed as non-media-contacting parts of the bioreactor, which is why lower sterility requirements have to be met for these parts.
  • the bioreactor may have further elements such as a tempering device and / or additional media feed lines for insertion into and out of the container.
  • the three-phase machine is designed as an axial three-phase machine in which an axis of rotation of the rotor is aligned substantially parallel to coil axes of coils of the stator.
  • the coils of the stator are arranged substantially parallel to one another, in particular in a circle around the axis of rotation of the rotor.
  • the rotor may e.g. be arranged below or above the coils of the stator.
  • the three-phase machine is designed as a radial three-phase machine in which an axis of rotation of the rotor is oriented substantially perpendicularly to coil axes of radial coils of the stator.
  • the rotor may be centrally located between the circularly inwardly oriented coil axes of the stator, similar to the conventional electric motor.
  • a second aspect relates to a mixing device, in particular a bioreactor and / or pallet tank, for mixing a fluid and / or a solid, with a receptacle for receiving a container, wherein the fluid inside the container and / or the solid and a rotatable stirring element for mixing the fluid and / or the solid are arranged, and a drive device for driving the stirring element.
  • the drive device has a stator of a three-phase machine.
  • the drive device is designed and provided to drive the stirring element, which has a rotor of the three-phase machine, wherein the rotor has at least one permanent magnet and / or at least one squirrel-cage rotor.
  • the mixing device according to the second aspect may be formed as part of the mixing system according to the first aspect. Therefore, the embodiments and embodiments of the mixing apparatus of the mixing system according to the first aspect also relate to the mixing apparatus according to the second aspect.
  • a third aspect relates to a container for mixing a particular biological fluid and / or a particular biological solid in a mixing device according to the second aspect.
  • the fluid and / or the solid and a rotatable stirring element for mixing the fluid and / or the solid are arranged in the interior of the container.
  • the stirring element has a rotor of a three-phase machine, wherein the rotor has at least one permanent magnet and / or at least one short-circuit rotor.
  • the container according to the third aspect may be formed as part of the mixing system according to the first aspect. Therefore, the embodiments and embodiments relating to the container and also to the mixing device of the mixing system according to the first aspect also relate to the container according to the third aspect.
  • a fourth aspect relates to a method for mixing a particular biological fluid and / or a particular biological solid, wherein
  • a container wherein inside the container the fluid and / or the solid is arranged,
  • the fluid and / or the solid is mixed by means of at least one arranged inside the container, rotatable stirring element, wherein the
  • Stirring element has a rotor of a three-phase machine
  • the stirring element is driven by a drive device, wherein the Drive device comprises a stator of the rotary machine and the rotor has at least one permanent magnet and / or at least one
  • the three-phase machine is operated as an electric motor, in particular as a three-phase motor, for driving the stirring element.
  • the drive device has coils, to which in each case periodically alternating voltages are applied, so that a first magnetic field is generated by a first of the coils, the time course with respect to the time course of at least a second magnetic field of a second of the coils is offset in time.
  • the drive device may comprise three coils or an integer multiple of three coils (for example six or nine coils), the coils each being fed with a phase voltage phase of a three-phase system.
  • the coils of the drive device may be arranged in a circle such that the individual coil magnetic fields of the coils result in a total magnetic field that is substantially constant in size and / or strength and its orientation is continuous in accordance with the frequency and / or period repetition of the three-phase current changes. If the coils are arranged in a circle, then the total magnetic field "rotates" at a controllable speed in this circle.
  • FIG. 1 in a side view of a mixing system with a three-phase motor
  • FIG. 2 shows a cross section through a drive device of a mixing device
  • 3A shows a cross section through a three-phase motor of a mixing system at
  • FIG. 3B shows a cross section through a three-phase motor of a mixing system
  • FIG. 4 shows a sectional view of an axial three-phase motor of a mixing system
  • Figure 5 sectional view of a radial three-phase motor of a mixing system.
  • Figure 1 shows a side view of a mixing system with a three-phase motor 10 as a three-phase machine.
  • the mixing system has a mixing device 1, which is designed and provided to mix a medium 8, which is arranged in a container 4 of the mixing device 1.
  • the medium 8 is formed as a fluid and / or solid and may be formed in particular as a fluid mixture and / or a solid mixture or mixture, or as a mixture of at least one fluid and at least one solid.
  • the container 4 is formed in the embodiment shown as a flexible bag and is penetrated by a stirring element 3, which is arranged in the interior of the container 4 and the container 4 can penetrate completely from one end to an opposite end.
  • the stirring element 3 and the medium 8 are arranged in the interior of the container, which in turn is introduced and stored in a receptacle of the mixing device 1.
  • the receptacle of the mixing device 1 may be formed as a substantially rigid container into which the container 4 is introduced.
  • the container or bag 4 can be designed as a disposable bag and / or disposed of after the process together with the residues of the fluid and / or solid and together with the stirring element 3.
  • the mixing device 1 can be designed as an element of a mixing system that comprising the mixing device 1 and the container 4.
  • the mixing device 1 can in particular be designed as a bioreactor for receiving, storing and mixing a biological fluid and / or solid.
  • the container 4 and the associated receptacle of the mixing device 1 may have other shapes and, for example, substantially cylindrical, bucket-shaped, spherical, ellipsoidal, cuboid or the like. be educated.
  • the three-phase motor 10 of the mixing system can be operated with three-phase alternating current, which is also referred to as a three-phase current.
  • three-phase alternating current which is also referred to as a three-phase current.
  • at least three coils (in alternative embodiments, a multiple of three coils) of the three-phase motor 10 each fed with a phase voltage phase of a three-phase system, so that in and / or from each coil, a coil magnetic field is generated, its time course by one third period to the voltage curve and coil magnetic field at least two other coils is offset.
  • a "rotating" total magnetic field is generated that is composed of the individual coil magnetic fields and drives the stirring element.
  • the mixing device 1 further comprises a drive device 2, which is arranged outside of the container 4.
  • the drive device 2 is arranged directly adjacent to the container 4.
  • the drive device 2 is arranged substantially in the middle of a container wall of the container 4, in the embodiment shown on the upper container wall of the container 4.
  • the stirring element 3 is coupled to the drive device 2.
  • the stirring element 3 has a stirring shaft 9, which is designed substantially rod-shaped.
  • the agitator shaft 9 is disposed substantially entirely inside the container 4 and may either protrude from one end of the container 4 into the container 4 or completely penetrate the container 4 from a first end of the container 4 to a second end of the container 4.
  • the stirring shaft 9 is supported at two opposite ends of the container 4.
  • the stirring shaft 9 is mounted on a drive-side support 6 and on an abutment 7.
  • the drive-side bearing 6 is disposed immediately adjacent to the drive device 2, while the abutment 7 at the Drive device 2 opposite side of the container 4 is arranged.
  • the drive-side mounting may be formed at an upper container end of the container 4 and the counter-bearing 7 in or on the bottom surface of the container 4.
  • the drive-side storage may also be formed in the bottom of the container 4 or in a lateral wall of the container 4 while the abutment is disposed on the opposite side of the container.
  • the stirrer shaft 9 more Rrockfort instruments 5 are formed, which move on rotation of the stirring shaft 9 about a rotation axis R of the stirring element 3 through the medium 8 and mix the medium during this.
  • the Stirrfort instruments 5 are screw-shaped in the embodiment shown, so based on the shape of a ship's propeller. However, the stirring extensions 5 can also have a different shape and be designed for mixing the medium 8.
  • the axis of rotation R is arranged substantially vertically in the frame of reference of the earth.
  • the axis of rotation R is a rotational symmetry axis of the rod-shaped stirring shaft 9, and extends substantially perpendicularly from the drive device 2 (or the container wall on which the drive device is arranged) away into the interior of the container 4.
  • the rotary motor 10 comprises the drive device 2 as well as parts of the stirring element 3, in particular on the drive-side bearing 6 mounted parts of the stirring element 3.
  • the three-phase motor 10 has in particular a stator and a rotor, of which embodiments are described in more detail in the next figures.
  • FIG. 2 shows a cross section through the drive device 2 of the mixing device 1 shown in FIG. 1.
  • the cross section shown shows a section through a plane ZZ, which is marked in FIG. 1 and is arranged essentially horizontally in the reference frame of the earth through the drive device 2.
  • the cutting plane ZZ runs essentially parallel to that container wall 4 'of the container 4 (cf., FIG. 1), on or in which the drive device 2 is formed is. It is in the container wall 4 'to the upper container wall of the container 4.
  • another container wall of the container 4 could be used to arrange the drive device 2 there.
  • the drive device 2 has a stator 20 of the three-phase motor 10, which has a plurality of coils 21.
  • the stator 20 has six substantially equal and identical coils 21, which are arranged symmetrically about the rotation axis R in a circle.
  • the coil axes of the coils 21 are arranged parallel to the axis of rotation R.
  • FIG. 3A shows a cross section through the three-phase motor 10, both through the stator 20 and through a rotor 30 of the three-phase motor 10.
  • the axis of rotation R lies in the sectional plane of the illustrated cross-section.
  • the cross section extends through a plane A-A, which is marked in FIG. 2 and extends perpendicularly through the center of the stator 20.
  • the cutting axis is thus a vertical cutting axis in the reference system of the earth.
  • the stator 20 further comprises a stator housing 23 and a clamping projection 24.
  • the stator housing 23 is used for secure, stationary fixing and / or arranging the coils 21 of the stator 20.
  • the stator housing 23 is like the entire stator 20 fixed and formed unrotatable.
  • the clamping projection 24 is formed on the rotor 30 side facing the stator housing 23 and serves to support a rotor housing 33 of the rotor 30.
  • the rotor housing 33 has a clamping insert 34 which is connected to the clamping projection 24 of the stator, for. can be connected by a clamp.
  • the clamping projection 24 and the clamping insert 34 are in the operating state in a clamping fit, in which the rotor housing 33 is rigidly clamped to the stator housing 23.
  • clamping projection 24 and the clamping insert 34 are shown in the Embodiment, the three-phase motor 10 is formed completely circumferentially. In other embodiments, clamping projection and clamping insert may only partially circulate the three-phase motor, may be formed only at individual points of the housing and / or another attachment may be provided for supporting the rotor housing 33 on the stator housing 23.
  • the rotor housing 33 penetrates the container wall 4 'at an opening and is mounted and / or fixed in this opening of the container wall 4' on the stator housing 23.
  • the rotor housing 33 has a stationary pin 32 whose central axis coincides with the axis of rotation R and which (like the rotor housing 33) is stationary and unrotatable.
  • a ball bearing 36 is arranged, which is rotatable about the stationary pin 32 and about the rotation axis R.
  • On the ball bearing 36 a plurality of permanent magnets 31 of the rotor 30 are mounted, which can move around the stationary pin 32 around, while doing a rotational movement about the rotation axis R.
  • the permanent magnets 31 form a rotatable part of the rotor 30, with which the stirring shaft 9 is rigidly coupled. Upon rotation of the rotor 30, more precisely the permanent magnet 31, about the axis of rotation R, therefore, the agitator shaft 9 also rotates about the axis of rotation R.
  • the rotor is provided with a different bearing, e.g. stored without pin and with external bearing in the rotor housing.
  • FIG. 3A there is further shown a magnetic flux MG through opposing coils 21 of the stator 20 and through opposing permanent magnets 31 of the rotor 30.
  • the magnetic flux MG thus passes through opposing coils and opposed permanent magnets.
  • the same three-phase motor 10 can also be controlled such that a magnetic flux MN takes place through adjacent coils 21 of the stator 20 and through adjacent permanent magnets 31 of the rotor 30.
  • This drive is shown in the cross section through the three-phase motor 10 shown in FIG. 3B.
  • the in 3B is parallel to the cross section shown in FIG. 3A and shows a section through a sectional plane BB, which is likewise shown in FIG.
  • the coils 21 of the three-phase motor O can be selectively driven as shown in Figure 3A or as shown in Figure 3B.
  • the current and thus the attractive force between the coils 21 and the permanent magnets 31 can be adjusted by the controller.
  • the stirring shaft 9 mounted in the media-contacting area can be driven without a rotating element of the drive having to be introduced through the bag 4 into the sterile area, for example.
  • the drive does not come into contact with the medium, is not contaminated and does not need to be cleaned and / or sterilized for a subsequent process. Furthermore, a complex sealing of a rotary feedthrough into the media-contacting area is eliminated.
  • the magnetic fields MG and / or MN can be formed differently, depending on the geometric arrangement and electrical control of the coils 21 and the design of the rotor 30.
  • the arrangement and interconnection can be optimized for this purpose. to cause a magnetic flux through two adjacent coil magnet pairs or through two opposite coil magnet pairs.
  • the coils 21 are each driven so that is displaced by the generated magnetic field, the rotor 30 in a desired direction of rotation about the axis of rotation R around, thus forming the magnetic field between the next pair of coils in the direction of rotation and next permanent magnet. In this case, the rotor 30 follows the rotating field of the coils 21 synchronously.
  • the rotor has no permanent magnets, but one or more squirrel cage rotor.
  • the rotor is constructed from laminated cores with short-circuited windings and / or in a rotor constructed by means of a rapidly circulating core Magnetic field of the coils 21, a current flow which induces a magnetic field in the rotor. Due to the attractive force between the rotating field of the coils of the stator and the induced magnetic field in the rotor, the rotor follows the rotating field. The rotor follows the rotating field asynchronously, that is with a lower speed than the speed of the rotating field.
  • FIG. 4 shows a sectional view through an axial three-phase motor 10 of a mixing device.
  • the axial three-phase motor 10 corresponds to the three-phase motor 10 shown in FIGS. 2, 3A and 3B.
  • the sectional plane shown runs through the axis of rotation R.
  • both the coil axes of the coils 21 are arranged substantially parallel to the axis of rotation R, as well as the permanent magnets 31 of the rotor 30 is aligned substantially parallel to the axis of rotation R.
  • Orientation of the permanent magnets means the orientation of the magnetic north pole to the south magnetic pole.
  • the magnetic south poles are located exactly above the magnetic north poles, namely parallel to the axis of rotation R.
  • the three-phase motor 10 is thus formed as a so-called axial three-phase motor 10.
  • Figure 5 shows a radial three-phase motor 1 1.
  • the radial three-phase motor 11 is similar to the axial three-phase motor 10 and has some identical or similar components.
  • the sectional plane of the cross section shown in Figure 5 includes the rotation axis R.
  • the stator 20 has radial coils 21 ', the coil axes are arranged substantially perpendicular to the axis of rotation R. More specifically, the radial coils 21 'are arranged in a circle about the rotation axis R so that their coil axes are substantially perpendicular to the rotation axis R.
  • a magnetic field is generated, ie a stator magnetic field which interacts with radial permanent magnets 31' of the rotor 30.
  • the radial permanent magnets 31 ' are also arranged substantially circular and perpendicular to the axis of rotation R. In this case, either the magnetic north pole or the magnetic south pole points outwards in the direction of a radial coil 21 '.
  • the rotor 30 In the radial three-phase motor 11, the rotor 30 fully engages in a recess of the stator 20, wherein the rotor 30 is at least partially supported in the interior of the stator 20.
  • rotational movement of the rotor 30 about the axis of rotation R causes rotation (ie, rotation) of the agitator shaft 9 coupled to the rotor 30.
  • the rotor 30 is mounted on a rotor bearing 35, which has an opening through which the stirring shaft 9 is coupled to the head of the rotor with the radial permanent magnets 31 '.
  • the rotor bearing 35 as part of a rotor housing is connected to the container wall 4 ', formed stationary and unrotatable and can enter into a clamping fit with the stator housing 23.
  • the coupling between the rotor and stator can thus be constructed either axially, so for example as in the axial three-phase motor 10 shown in Figure 4, or be constructed radially, so for example as in the radial three-phase motor 1, which is shown in Figure 5 ,
  • rotor 30, stirrer shafts 9, in particular the permanent magnets 31 and 31 ', that is, the entire stirring element 3 are arranged in the interior of the container 4 and thus formed media-contacting.
  • the stator housing 23 may be optimized for the shading of the coils 21 and 21 ', and the position of the permanent magnet or squirrel cage rotor.
  • the (non-media-contacting) stator housing can enter into a clamping connection with the (media-contacting) rotor housing.
  • the rotor housing 33 is formed stationary and unrotatable, and serves as a stationary and unrotatable storage for the stirrer shafts 9 and the permanent magnets 31, 31 'or the squirrel cage or the squirrel-cage.
  • the agitator shaft 9 can be mounted on the one hand on the drive device 2 and on the other hand, as shown in Figure 1, also on an abutment 7.
  • the stirring element 3 can be mounted only on one side, namely on the drive-side mounting 6. In such an embodiment the stirring element does not completely penetrate the container 4, but merely protrudes from a container wall of the container 4 into the interior of the container 4.
  • the double storage so the storage on opposite walls of the container 4, however, increases the stability of the stirring shaft in its rotational movement.

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Abstract

Ein Mischsystem, insbesondere Bioreaktor und/oder Pallettank, zum Mischen eines Fluids und/oder eines Feststoffs weist einen Behälter (4) auf, wobei im Inneren des Behälters (4) das Fluid und/oder der Feststoff sowie ein rotierbares Rührelement (3) zum Mischen des Fluids und/oder des Feststoffs angeordnet sind. Das Mischsystem weist weiterhin eine Mischvorrichtung (1) zum Aufnehmen des Behälters (4) und eine Antriebsvorrichtung (2) zum Antreiben des Rührelements (3) auf. Dabei weist die Antriebsvorrichtung (2) einen Stator (20) einer Drehstrommaschine (10; 11) auf, das Rührelement (3) weist einen Rotor (30) der Drehstrommaschine (10; 11) auf und der Rotor (30) weist zumindest einen Permanentmagnet (31; 31') und/oder zumindest einen Kurzschlussläufer auf.

Description

"Mischsystem, Mischvorrichtung, Behälter und Verfahren zum Mischen eines Fluids und/oder eines Feststoffs"
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Mischsystem, eine Mischvorrichtung, einen Behälter und ein Verfahren zum Mischen eines Fluids und/oder eines Feststoffs. Mischsysteme wie z.B. Bioreaktoren und Pallettanks dienen zur Aufnahme, zur Lagerung und zum Mischen von biologischen Medien wie z.B. Fluiden und/oder Feststoffen. Biologische Medien können in Behältern wie z.B. Beuteln bereitgestellt werden, die ein Volumen von mehreren hundert Litern umfassen können. Die biologischen Medien werden innerhalb eines solchen Beutels in den Bioreaktor eingebracht, in dem sie gelagert, temperiert und/oder durchmischt werden können. In einem solchen Bioreaktor können unterschiedliche Untersuchungen an dem biologischen Medium vorgenommen werden.
Dabei erfolgt die Handhabung des Bioreaktors üblicherweise in einer sterilen Umgebung. Das Mischen des biologischen Mediums kann dabei mittels eines rotierenden Rührelements erfolgen, das in dem Beutel angeordnet ist und von außerhalb des Beutels angetrieben wird. Dabei wird das medienberührende Rührelement rotierend angetrieben, ohne dass ein rotierendes Element wie zum Beispiel eine Rührwelle in den sterilen Bereich im Inneren des Beutels eingeführt werden muss. Hierbei kommt der Antrieb des Rührelements nicht mit dem Medium in Kontakt, wird nicht kontaminiert und muss für einen nachfolgenden Prozess nicht gereinigt und/oder sterilisiert werden. Zudem entfällt eine aufwendige Abdichtung an einer Drehdurchführung in den Beutel. Dazu ist aus dem Stand der Technik eine Mischvorrichtung bekannt, bei der ein medienberührendes Rührelement über eine auf Permanentmagneten basierende Kupplung mit einem externen Antriebsmotor zu koppeln. Hierbei sind zwei einander zugeordnete Kupplungshälften mit Permanentmagneten bestückt. Von den beiden einander gegenüberliegenden Kupplungshälften ist eine im Inneren des Beutels angeordnet und medienberührend ausgebildet, die andere außerhalb des Beutels angeordnet und medienunberührend ausgebildet. Dabei sind die Permanentmagneten in ihrer Ausrichtung so angeordnet, dass sie einander anziehen und ein Drehmoment einer äußeren, vom Antriebsmotor angetriebenen Kupplungshälfte auf eine innere Kupplungshälfte übertragen, die mit dem Rührelement rotiert. Das vorbekannte Mischsystem mit den Permanentmagneten weist mehrere Nachteile auf. Zum Übertragen eines hohen Drehmoments muss das vorbekannte Mischsystem starke und damit relativ große und teure Permanentmagnete aufweisen. Deswegen sind die Kosten für die Anschlusskonstruktionen insbesondere für die Kupplung relativ hoch und fallen gerade dann ins Gewicht, wenn Beutelsysteme verwendet werden, bei denen die medienberührende Kupplungshälfte mit den teuren Permanentmagneten entsorgt wird.
Um ein Durchrutschen an der Kupplung zu vermeiden, ist die magnetische Anziehungskraft der Permanentmagnete auf das maximal zu übertragende Drehmoment ausgelegt. Alle bei der Kraftübertragung im Kraftfluss befindlichen Anschlussteile, wie z.B. ein Gehäuse, ein Kugellager, ein Beutelanschluss etc. werden unabhängig vom tatsächlich übertragenen Drehmoment mit der maximalen Anziehungskraft der Permanentmagneten belastet. Dies kann bei geringeren Drehmomenten zu unnötigen Geräuschentwicklungen und/oder Wärmeentwicklungen führen, oder auch zur Entstehung von Abrieb. Weiterhin erschwert die hohe permanente Anziehungskraft zwischen den Kupplungshälften eine Montage und Demontage des Beutels, da die Gefahr besteht, sich beim Zuschnappen der Kupplungshälfte einzuklemmen. Zudem muss bei der Demontage des Beutels zunächst eine hohe Anziehungskraft überwunden werden, um die Kupplungshälften voneinander zu trennen. Weiterhin besteht die Gefahr, dass ggf. vorhandene medizinische Implantate des Bedienpersonals durch die starken Permanentmagnete beeinflusst werden. Schließlich bedingt der Aufbau mit permanentmagnetischer Kupplung und separatem Antriebsmotor eine relativ große Höhe der Antriebsvorrichtung, was insbesondere bei niedrigen Deckenhöhen am Nutzungsort der Mischvorrichtung nachteilig sein kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Mischsystem zu ermöglichen, das zumindest einen der voranstehend beschriebenen Nachteile reduziert.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind die Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt betrifft ein Mischsystem, insbesondere einen Bioreaktor und/oder einen Pallettank, zum Mischen eines Fluids und/oder eines Feststoffs mit einem Behälter, wobei im Inneren des Behälters das Fluid und/oder der Feststoff sowie ein rotierbares Rührelement zum Mischen des Fluids und/oder des Feststoffs angeordnet sind. Das Mischsystem weist eine Mischvorrichtung mit einer Aufnahme zum Aufnehmen des Behälters und einer Antriebsvorrichtung zum Antreiben des Rührelements auf. Hierbei weist die Antriebsvorrichtung einen Stator einer Drehstrommaschine auf, das Rührelement weist einen Rotor der Drehstrommaschine auf. Weiterhin weist der Rotor zumindest einen Permanentmagnet und/oder zumindest einen Kurzschlussläufer auf.
Die Mischvorrichtung kann insbesondere als ein Bioreaktor und/oder ein Pallettank der eingangs beschriebenen Art ausgebildet sein. Die Mischvorrichtung weist eine Aufnahme auf, in die der Behälter eingebracht werden kann. Der Behälter beinhaltet das Fluid und/oder den Feststoff, der in der Mischvorrichtung gemischt wird. Der Behälter kann als flexibler Beutel ausgebildet sein, also eine flexible Beutelwand aufweisen. Alternativ kann der Behälter im Wesentlichen steife und/oder starre Behälterwände aufweisen, die z.B. metallisch oder aus einem Hartplastik ausgebildet sein können. Der Behälter kann als ein sogenannter "single-use-bag" ausgebildet sein, also als ein Einwegbeutel, der nach dem Mischvorgang entsorgt werden kann. Dazu kann der Behälter insbesondere aus einem Kunststoff, wie z.B. einem transparenten Kunststoff, ausgebildet sein. Der Behälter weist neben dem Fluid und/oder Feststoff auch das Rührelement auf, mit welchem beim Mischen eine Rührbewegung durchgeführt wird. Dazu kann das Rührelement insbesondere eine Rührwelle aufweisen und/oder als eine Rührwelle ausgebildet sein.
Die Aufnahme kann zur Aufnahme und/oder Lagerung eines vorbestimmten Behälters ausgebildet sein. Ist z.B. ein flexibler Beutel als Behälter vorgesehen, so kann die Aufnahme als im Wesentlichen steifes Behältnis ausgebildet sein, also im Wesentlichen steife Behältniswände aufweisen. Ist ein im Wesentlichen steifer Behälter vorgesehen, so kann die Aufnahme als Lagerung für den Behälter ausgebildet sein mit ortsfesten Kopplungsansätzen für die Rührwelle.
Das Rührelement wird von der Antriebsvorrichtung der Mischvorrichtung angetrieben, d.h. in eine Rotationsbewegung versetzt, bei der das Rührelement im Inneren des Behälters durch das Fluid und/oder den Feststoff eine Drehbewegung, also eine Rotationsbewegung, ausführt. Dabei wird das Fluid oder der Feststoff gemischt. Die Antriebsvorrichtung kann insbesondere benachbart zur Aufnahme angeordnet sein, z.B. unmittelbar oberhalb der Aufnahme oder am und/oder im Boden der Aufnahme ausgebildet sein. Vor Beginn des Mischvorgangs wird das im Behälter angeordnete Rührelement an die außerhalb des Behälters angeordnete Antriebsvorrichtung gekoppelt. Die Kopplung erfolgt dabei durch den Behälter hindurch und ist ausreichend stark ausgebildet, um ein der Antriebsvorrichtung zugewandtes Ende des Rührelements an der Antriebsvorrichtung zu lagern. Die Rotationsbewegung des Rührelements wird von der Drehstrommaschine verursacht, die als Elektromotor betrieben wird und das Rührelement antreibt. Insbesondere kann die Drehstrommaschine als Drehstrommotor betrieben werden, also mit Drehstrom mit Dreiphasenwechselstrom. Wie üblich und vorbekannt, weist die Drehstrommaschine sowohl einen Stator als auch einen Rotor auf. Der Stator ist Bestandteil der Antriebsvorrichtung. Insbesondere kann die Antriebsvorrichtung auch als der Stator ausgebildet sein. Der Stator ist im Wesentlichen ortsfest und führt dabei insbesondere im Bezugssystem der Erde keine Rotationsbewegung aus. Der Rotor ist als Bestandteil des Rührelements ausgebildet, insbesondere kann das Rührelement als der Rotor ausgebildet sein. Der Rotor kann insbesondere an dem Ende des Rührelements ausgebildet sein, dass in einer Betriebsposition der Antriebsvorrichtung zugewandt ist. Eine Rotationsbewegung des Rotors bewirkt dabei unmittelbar auch eine Rotationsbewegung des Rührelements und/oder einer Rührwelle des Rührelements, das bzw. die steif mit dem Rotor verbunden ist.
Bei der Mischvorrichtung ist der Rotor so an den Stator gekoppelt, dass bei Betrieb der Drehstrommaschine der Rotor eine Rotationsbewegung im Inneren des Behälters durchführt. Dabei erfolgt die Kopplung des Rotors an den Stator durch eine Wand des Behälters hindurch und/oder über eine Wand des Behälters. Der Stator kann eine oder mehrere elektrische Spulen aufweisen, die mit elektrischen Strom beaufschlagt werden. Die Spulen kann z.B. mit einem Drehstrom betrieben werden. Dabei werden von den Spulen Magnetfelder so erzeugt, dass sie mit dem Rotor wechselwirken, der seinerseits ein Magnetfeld aufweist, das von seinem Permanentmagnet und/oder seinem Kurzschlussläufer erzeugt wird. Die Wechselwirkung der beteiligten Magnetfelder erzeugt dabei die Rotationsbewegung des Rührelements.
Das Prinzip eines Kurzschlussläufers (auch bezeichnet als Käfigläufer) ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Im Kurzschlussläufer wird vom Stator Strom induziert in einem dauernd kurzgeschlossenen Käfig, der massive Windungen aufweist. Dadurch wirkt der Kurzschlussläufer als ein Magnet, dessen Magnetfeld mit dem Magnetfeld des Stators wechselwirkt und dabei die Drehung des Rotors bewirkt. Bei dem Mischsystem ist die Antriebsvorrichtung als nicht medienberührender (auch bezeichnet als "nicht medienberührter") Teil ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Antriebsvorrichtung nicht in Berührkontakt mit dem zum mischenden Fluid und/oder Feststoff steht, insbesondere nicht beim Mischvorgang. Das im Behälter des Mischsystems angeordnete Rührelement ist medienberührend (auch bezeichnet als "medienberührt") ausgebildet und steht somit in Berührkontakt mit dem Fluid und/oder Feststoff. Der Stator kann eine Spulenanordnung aufweisen, die über einen Frequenzumrichter mit Drehstrom versorgt wird. Ein durch den Drehstrom von den Spulen der Spulenanordnung induziertes Magnetfeld, das sogenannte Statormagnetfeld, zieht den Permanentmagneten und/oder den Kurzschlussläufer des Rotors an und versetzt diesen damit in Drehung.
Der Rotor kann insbesondere permanentmagnetfrei ausgebildet sein und lediglich den Kurzschlussläufer bzw. Käfigläufer aufweisen, wobei bei dieser Ausführungsform das Rotormagnetfeld durch das in den Spulen des Stators erzeugte Statormagnetfeld und eine Relativbewegung des Käfigläufers verursacht wird, gemäß dem Prinzip des Asynchronmotors.
Der Stator ist als nicht medienberührendes Element der Drehstrommaschine ausgebildet, der Rotor ist als medienberührendes Element der Drehstrommaschine ausgebildet. Eine gesonderte Kupplung ist nicht notwendig, da kein Drehmoment von außerhalb des Behälters in das Innere übertragen werden muss, sondern das Drehmoment von der Drehstrommaschine direkt und ausschließlich innerhalb des Behälters erzeugt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Mischsystem kann auf einen zusätzlichen (z.B. externen) Drehantrieb verzichtet werden, dessen Drehmoment auf das Rührelement übertragen werden muss. Somit können sämtliche Elemente der Mischvorrichtung ortsfest und nichtrotierend ausgebildet sein, während lediglich das Rührelement beim Mischen eine Rotationsbewegung durchführt. Insbesondere ist keine Rotationsbewegung irgendeines außerhalb des Behälters angeordneten Elements der Mischvorrichtung notwendig und/oder vorgesehen.
Die Antriebsvorrichtung kann als nicht medienberührende Teil eine Spulenanordnung aufweisen, die ein elektromagnetisches Drehfeld erzeugt. Im Vergleich zur vorbekannten . Mischvorrichtung können deswegen zum Beispiel die Permanentmagnete des Rotors bei gleichem zu übertragendem Drehmoment kleiner und/oder weniger stark ausgebildet sein bzw. durch einen einfachen und kostengünstigen metaliischen Rotor, nämlich dem Käfigläufer ersetzt werden. Dies ist insbesondere bei Einwegbeuteln als Behälter ein Kostenvorteil, da lediglich kostengünstigere bzw. gar keine Permanentmagneten entsorgt werden. Dadurch wird ein kostengünstiger Aufbau mit Platzersparnis und Materialersparnis der Anschlussteile ermöglicht.
Durch eine Steuerung des Stators, insbesondere einer Steuerung des Drehstroms durch Spulen des Stators, kann die Anziehungskraft zwischen dem Stator und Rotor an das gerade benötigte Drehmoment angepasst werden. Somit werden die Anschlussteile der Kupplung lediglich dann mit einer hohen Anziehungskraft belastet, wenn diese auch für die Übertragung eines hohen Drehmoments benötigt wird. Dadurch können Geräuschentwicklung, Wärmeentwicklung und Abriebsentstehung reduziert werden. Da die Anziehungskraft zwischen Stator und Rotor durch die anliegenden Spannung bzw. den Drehstrom gesteuert werden kann, kann die Anziehungskraft während der Montage und/oder Demontage reduziert und/oder abgeschaltet werden. Dadurch ist selbst bei hohen zu erzeugenden Drehmomenten während des Mischens eine gefahrlose und einfache Montage und Demontage des Beutels zu Zeiten möglich, zu denen nicht gemischt wird. Aufgrund der so reduzierten magnetischen Felder an der Lagerung, am Drehstrommotor und beim Antrieb wird zudem die Gefahr der Beeinflussung von medizinischen Implantaten des Bedienpersonals reduziert bzw. beseitigt. Bei Verwendung des Stators und Rotors als elektromagnetische Kupplung kann auf einen zusätzlichen Drehantrieb verzichtet werden, dessen Drehmoment auf das Rührelement übertragen werden müsste. Durch Verzicht auf einen solchen zusätzlichen externen Drehantrieb kann die Bauhöhe der Mischvorrichtung reduziert werden.
Bei Verwendung eines rein metallischen Rotors ohne Permanentmagneten (also der Variante, bei der der Rotor lediglich zumindest ein Kurzschlussläufer und keinen Permanentmagneten aufweist) ist die Entsorgung der medienberührenden Elemente, also des Rotors, vereinfacht im Vergleich zu der Entsorgung eines Rotors mit Permanentmagneten. Die Antriebsvorrichtung arbeitet im nichtmedienberührenden Bereich im Wesentlichen verschleißfrei, da alle sich drehenden Elemente, nämlich alle Elemente des Rührelements einschließlich des Rotors, im medienberührenden Bereich ausgebildet sind, die nach dem Mischvorgang zusammen mit dem Behälter entsorgt werden können.
Gemäß einer Ausführungsform wechselwirkt beim Betrieb der Mischvorrichtung ein vom Rotor verursachtes Rotormagnetfeld mit einem vom Stator erzeugten Statormagnetfeld. Durch die Wechselwirkung der beiden Magnetfelder wird die Rotationsbewegung des Rührelements bewirkt. Das vom Rotor verursachte Rotormagnetfeld kann dabei das Magnetfeld des zumindest einen Permanentmagneten des Rotors sein und/oder das vom zumindest einen Kurzschlussläufer erzeugte Magnetfeld sein. Die beiden Magnetfelder wechselwirken nach dem Prinzip des Drehstrommotors und/oder des asynchronen Motors miteinander.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Rührelement mittels elektrisch ansteuerbarer Magnetkraft an der Antriebsvorrichtung gelagert. Der Stator und der Rotor bilden eine Kupplung des Rührelements an die Antriebsvorrichtung. Das Rührelement ist insbesondere mit dem Rotor an den Stator der Antriebsvorrichtung gelagert. Das Rührelement kann so gelagert sein, dass es ortsfest rotierbar ist. Dabei dreht sich das Rührelement um seine Rotationsachse, wenn es von der Antriebsvorrichtung angetrieben wird. Die Lagerung des Rührelements an die Antriebsvorrichtung ist zumindest teilweise magnetisch. Zusätzlich kann die Lagerung mechanisch unterstützt sein. Alternativ kann die Kopplung rein magnetisch erfolgen. In diesem Fall wird bei der Montage des Rührelements der Stator zumindest so stark mit Strom beaufschlagt, dass eine Anziehung zwischen dem Stator und Rotor zur sicheren Lagerung des Rührelements verwendbar ist. Durch Ansteuerung und/oder Einstellen des Stromflusses durch die zumindest eine elektromagnetische Spule des Stators ist die Magnetkraft elektrisch ansteuerbar.
Gemäß einer Ausführungsform steht das Rührelement in einem Berührkontakt mit dem Fluid und/oder Feststoff. Die Antriebsvorrichtung steht nicht in Berührkontakt mit dem Fluid und/oder Feststoff. Somit ist das Rührelement als medienberührendes Element ausgebildet, die Antriebsvorrichtung als nicht medienberührendes Element. Hierbei dringt kein Bestandteil der Antriebsvorrichtung in den Behälter ein. Zudem wird eine besonders effiziente Trennung der Elemente der Mischvorrichtung bereitgestellt. Da kein Element der Antriebsvorrichtung in den Behälter eindringt, muss die Antriebsvorrichtung auch lediglich geringe Anforderungen an Sterilität erfüllen und nicht nach jedem Prozess gereinigt und/oder sterilisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Mischvorrichtung eine Steuerung zum Ansteuern zumindest einer elektrischen Spule des Stators auf. Der Stator weist zumindest die eine elektrische Spule, bevorzugt mehrere elektrischen Spulen auf. Der Stator, kann somit als eine Spulenanordnung mit mehreren elektrischen Spulen ausgebildet sein. Eine Steuerung steuert die elektrische(n) Spule(n) des Stators an. Dabei wird der Strom und/oder die Spannung angesteuert und/oder eingestellt, die durch die elektrische Spule fließt bzw. an dieser anliegt. Durch die Steuerung ist die Anziehungskraft zwischen Stator und Rotor einstellbar, insbesondere bei einer Montage und Demontage des Rührelements in der Mischvorrichtung. Ebenso wird die Anziehungskraft beim Mischvorgang durch die Steuerung gesteuert und/oder eingestellt. Die Steuerung kann zum Beispiel mittels zumindest eines Potentiometers erfolgen und/oder digital mittels eines ICs und/oder eines Prozessors wie einem Computer. Die Steuerung verbessert eine Kontrolle des Mischens und/oder der Montage/Demontage.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform steuert die Steuerung eine Anziehungskraft zwischen Rotor und Stator einerseits und/oder eine Rotationsgeschwindigkeit des Rotors andererseits und/oder stellt diese ein. Die Steuerung der Anziehungskraft ist insbesondere bei der Montage und Demontage des Rührelements an bzw. in die Antriebsvorrichtung vorteilhaft. Die Steuerung und/oder das Einstellen der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors entspricht einer Steuerung und/oder einem Einstellen der Rotationsgeschwindigkeit des Rührelements durch das Medium, also dem Fluid und/oder dem Feststoff. Durch die Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit wird der Mischvorgang gesteuert. Dadurch wird eine im Wesentlichen vollständige Kontrolle des Mischvorgangs bereitgestellt, insbesondere der Stärke, Intensität und/oder Dauer des Mischvorgangs.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Behälter als flexibler Beutel ausgebildet. Dabei weist die Mischvorrichtung ein Behältnis zum Aufnehmen des flexiblen Beutels auf. Das Behältnis ist als Aufnahme ausgebildet und ist dafür ausgelegt, den flexiblen Beutel beim Rühren sicher zu Lagern. Dazu kann das Behältnis steife Wände aufweisen, an denen Elemente der Mischvorrichtung abstützbar und/oder lagerbar sind.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Mischvorrichtung eine Drehzahlüberwachungsvorrichtung des Rührelements auf. Die Drehzahlüberwachungsvorrichtung kann optisch, akustisch und/oder induktiv etc. ausgebildet werden. Die Drehzahlüberwachungsvorrichtung kann als Teil der oben genannten Steuerung ausgebildet sein. Durch die Drehzahlüberwachungsvorrichtung kann einerseits eine Kontrolle der aktuell erzielten Drehzahl des Rührelements bereitgestellt werden, andererseits auch zum Beispiel ein Maximum und/oder Minimum einer gewünschten Drehzahl des Rührelements einstellbar sein. So kann die Drehzahlüberwachungsvorrichtung dazu ausgebildet sein, das Überschreiten einer Maximaldrehzahl zu verhindern, um etwa die Entstehung von Hitze und/oder Abrieb und/oder Geräuschen zu begrenzen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Mischvorrichtung eine Magnetkraftbegrenzung und/oder Drehmomentbegrenzung des Drehstrommotors auf. Die Magnetkraftbegrenzung und/oder Drehmomentbegrenzung kann als Teil der oben genannten Steuerung ausgebildet sein. Ähnlich wie die Drehzahlüberwachungsvorrichtung kann die Magnetkraftbegrenzung und/oder die Drehmomentbegrenzung die Entstehung von Hitze, Geräuschen und/oder Abrieb an der Mischvorrichtung begrenzen und/oder reduzieren. Die Magnetkraftbegrenzung und/oder Drehmomentbegrenzung kann durch Begrenzung des an den Stator angelegten Drehstroms realisiert sein. Gemäß einer Ausführungsform ist die Mischvorrichtung als ein Bioreaktor ausgebildet und das Fluid und/oder der Feststoff als ein biologisches Fluid und/oder ein biologischer Feststoff ausgebildet. Gerade bei einem Bioreaktor ist die Mischvorrichtung besonders effizient und vorteilhaft, da beim Bioreaktor alle medienberührenden Bauteile hohe Sterilitätserfordernisse erfüllen müssen. Die Antriebsvorrichtung und somit auch der Stator des Drehstrommotors können als nichtmedienberührende Teile des Bioreaktors ausgebildet sein, weswegen für diese Teile geringere Sterilitätsanforderungen zu erfüllen sind. Der Bioreaktor kann weitere Elemente wie eine Temperiervorrichtung und/oder Zuleitungen für zusätzliche Medien zum Ein- und Ausführen in und aus dem Behälter aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Drehstrommaschine als axiale Drehstrommaschine ausgebildet ist, bei der eine Rotationsachse des Rotors im Wesentlichen parallel ausgerichtet ist zu Spulenachsen von Spulen des Stators. Hierbei sind die Spulen des Stators im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, insbesondere in einem Kreis um dir Rotationsachse des Rotors. Der Rotor kann dabei z.B. unterhalb oder oberhalb der Spulen des Stators angeordnet sein.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Drehstrommaschine als radiale Drehstrommaschine ausgebildet, bei der eine Rotationsachse des Rotors im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet ist zu Spulenachsen von Radialspulen des Stators. In dieser Ausführungsform kann der Rotor mittig zwischen den kreisförmig nach Innen ausgerichteten Spulenachsen des Stators angeordnet sein, ähnlich zum klassischen Elektromotor. Ein zweiter Aspekt betrifft eine Mischvorrichtung, insbesondere ein Bioreaktor und/oder Pallettank, zum Mischen eines Fluids und/oder eines Feststoffs, mit einer Aufnahme zum Aufnehmen eines Behälters, wobei im Inneren des Behälters das Fluid und/oder der Feststoff sowie ein rotierbares Rührelement zum Mischen des Fluids und/oder des Feststoffs angeordnet sind, und einer Antriebsvorrichtung zum Antreiben des Rührelements. Dabei weist die Antriebsvorrichtung einen Stator einer Drehstrommaschine auf. Die Antriebsvorrichtung ist dazu ausgebildet und vorgesehen, das Rührelement anzutreiben, das einen Rotor der Drehstrommaschine aufweist, wobei der Rotor zumindest einen Permanentmagnet und/oder zumindest einen Kurzschlussläufer aufweist. Die Mischvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt kann als Teil des Mischsystems gemäß dem ersten Aspekt ausgebildet sein. Deswegen betreffen die Ausführungen und Ausführungsbeispiele zur Mischvorrichtung des Mischsystems gemäß dem ersten Aspekt auch die Mischvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt.
Ein dritter Aspekt betrifft einen Behälter zum Mischen eines insbesondere biologischen Fluids und/oder eines insbesondere biologischen Feststoffs in einer Mischvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt. Dabei sind im Inneren des Behälters das Fluid und/oder der Feststoff sowie ein rotierbares Rührelement zum Mischen des Fluids und/oder des Feststoffs angeordnet. Das Rührelement weist einen Rotor einer Drehstrommaschine auf, wobei der Rotor zumindest einen Permanentmagnet und/oder zumindest einen Kurzschlussläufer aufweist. Der Behälter gemäß dem dritten Aspekt kann als Teil des Mischsystems gemäß dem ersten Aspekt ausgebildet sein. Deswegen betreffen die Ausführungen und Ausführungsbeispiele zum Behälter und auch zur Mischvorrichtung des Mischsystems gemäß dem ersten Aspekt auch den Behälter gemäß dem dritten Aspekt. Ein vierter Aspekt betrifft ein Verfahren zum Mischen eines insbesondere biologischen Fluids und/oder eines insbesondere biologischen Feststoffs, wobei
ein Behälter bereitgestellt wird, wobei im Inneren des Behälters das Fluid und/oder der Feststoff angeordnet ist,
das Fluid und/oder der Feststoff mittels zumindest eines im Inneren des Behälters angeordneten, rotierbaren Rührelements gemischt wird, wobei das
Rührelement einen Rotor einer Drehstrommaschine aufweist,
das Rührelement von einer Antriebsvorrichtung angetrieben wird, wobei die Antriebsvorrichtung einen Stator der Drehstommaschine aufweist und der Rotor zumindest einen Permanentmagnet und/oder zumindest einen
Kurzschlussläufer aufweist. Zur Durchführung des Verfahrens kann insbesondere ein Mischsystem gemäß dem ersten Aspekt verwendet werden. Deswegen beziehen sich alle im Zusammenhang mit dem ersten Aspekt beschriebenen Ausführungen und Ausführungsbeispiele auch auf das Verfahren gemäß dem vierten Aspekt und umgekehrt. Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Drehstrommaschine als Elektromotor, insbesondere als Drehstrommotor, betrieben zum Antreiben des Rührelements.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Antriebsvorrichtung Spulen auf, an die jeweils periodisch wechselnde Spannungen angelegt werden, so dass von einer ersten der Spulen ein erstes Magnetfeld erzeugt wird, dessen zeitlicher Verlauf gegenüber dem zeitlichen Verlauf zumindest eines zweiten Magnetfelds einer zweiten der Spulen zeitlich versetzt ist. Die Antriebsvorrichtung kann insbesondere drei Spulen aufweisen oder ein ganzzahliges Vielfaches von drei Spulen (z.B. sechs oder neun Spulen), wobei die Spulen mit jeweils einer Leiterspannungsphase eines Drehstror systems gespeist werden. Die Spulen der Antriebsvorrichtung können so in einem Kreis angeordnet sein, dass sich aus den einzelnen Spulenmagnetfeldern der Spulen ein Gesamtmagnetfeld ergibt, dass im Wesentlichen von gleichbleibender Größe und/oder Stärke ist und seine Ausrichtung im Einklang mit der Frequenz und/oder Periodenwiederholung des Drehstroms fortlaufend ändert. Sind die Spulen im Kreis angeordnet, so "dreht" sich das Gesamtmagnetfeld mit einer steuerbaren Geschwindigkeit in diesem Kreis. .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Einzelne, in den Figuren gezeigte Merkmale können mit anderen Ausführungsbeispielen kombiniert werden. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen dabei gleiche oder ähnliche Bauteile der Ausführungsformen. Es zeigen:
Figur 1 in einer Seitenansicht eines Mischsystems mit einem Drehstrommotor; Figur 2 einen Querschnitt durch eine Antriebsvorrichtung einer Mischvorrichtung; Figur 3A einen Querschnitt durch einen Drehstrommotor eines Mischsystems bei
Betrieb unter Magnetfluss durch gegenüberliegende Spulen; Figur 3B einen Querschnitt durch einen Drehstrommotor eines Mischsystems bei
Betrieb unter Magnetfluss durch benachbarte Spulen;
Figur 4 Schnittdarstellung eines axialen Drehstrommotors eines Mischsystems;
und
Figur 5 Schnittdarstellung eines radialen Drehstrommotors eines Mischsystems.
Figur 1 zeigt in einer Seitenansicht ein Mischsystem mit einem Drehstrommotor 10 als Drehstrommaschine. Das Mischsystem weist eine Mischvorrichtung 1 auf, die dazu ausgebildet und vorgesehen ist, ein Medium 8 zu mischen, welches in einem Behälter 4 der Mischvorrichtung 1 angeordnet ist. Das Medium 8 ist als ein Fluid und/oder Feststoff ausgebildet und kann insbesondere als ein Fluidgemisch und/oder ein Feststoffgemisch bzw. -gemenge ausgebildet sein, oder auch als ein Gemisch von zumindest einem Fluid und zumindest einem Feststoff.
Der Behälter 4 ist in der gezeigten Ausführungsform als flexibler Beutel ausgebildet und wird von einem Rührelement 3 durchdrungen, das im Inneren des Behälters 4 angeordnet ist und den Behälter 4 vom einen Ende zu einem gegenüber liegenden Ende vollständig durchdringen kann. Das Rührelement 3 und das Medium 8 sind in im Inneren des Behälters angeordnet, der wiederum in einer Aufnahme der Mischvorrichtung 1 eingebracht und gelagert ist. Die Aufnahme der Mischvorrichtung 1 kann als im Wesentlichen steifes Behältnis ausgebildet sein, in das der Behälter 4 eingebracht ist. Der Behälter bzw. Beutel 4 kann als Einwegbeutel ausgebildet sein und/oder nach dem Prozess zusammen mit den Rückständen des Fluids und/oder Feststoffs und zusammen mit dem Rührelement 3 entsorgt werden.
Die Mischvorrichtung 1 kann als Element eines Mischsystems ausgebildet sein, dass die Mischvorrichtung 1 und den Behälter 4 aufweist. Die Mischvorrichtung 1 kann insbesondere als ein Bioreaktor zum Aufnehmen, Lagern und Mischen eines biologischen Fluids und/oder Feststoffs ausgebildet sein. In anderen Ausführungsformen kann der Behälter 4 sowie die zugehörige Aufnahme der Mischvorrichtung 1 andere Formen aufweisen und z.B. im Wesentlichen zylinderförmig, eimerförmig, kugelförmig, ellipsoid, quaderförmig o.ä. ausgebildet sein.
Der Drehstrommotor 10 des Mischsystems kann mit Dreiphasenwechselstrom betrieben werden, der auch als Drehstrom bezeichnet wird. Dabei werden zumindest drei Spulen (in alternativen Ausführungsformen ein Vielfaches von drei Spulen) des Drehstrommotors 10 mit jeweils einer Leiterspannungsphase eines Drehstromsystems gespeist, so dass in und/oder von jeder Spule ein Spulenmagnetfeld erzeugt wird, dessen zeitlicher Verlauf um eine Drittelperiode zum Spannungsverlauf und Spulenmagnetfeld zumindest zweier anderer Spulen versetzt ist. Dabei wird ein "sich drehendes" Gesamtmagnetfeld erzeugt, dass sich aus den einzelnen Spulenmagnetfeldern zusammensetzt und das Rührelement antreibt.
Die Mischvorrichtung 1 weist weiterhin eine Antriebsvorrichtung 2 auf, die außerhalb des Behälters 4 angeordnet ist. Die Antriebsvorrichtung 2 ist unmittelbar benachbart zum Behälter 4 angeordnet. Dabei ist die Antriebsvorrichtung 2 im Wesentlichen in der Mitte einer Behälterwand des Behälters 4 angeordnet, in der gezeigten Ausführungsform an der oberen Behälterwand des Behälters 4. Das Rührelement 3 ist an die Antriebsvorrichtung 2 gekoppelt. Das Rührelement 3 weist eine Rührwelle 9 auf, die im Wesentlichen stabförmig ausgebildet ist. Die Rührwelle 9 ist im Wesentlichen vollständig im Inneren des Behälters 4 angeordnet und kann entweder von einem Ende des Behälters 4 in den Behälter 4 hineinragen oder den Behälter 4 vollständig von einem ersten Ende des Behälters 4 zu einem zweiten Ende des Behälters 4 durchdringen. In der gezeigten Ausführungsform ist die Rührwelle 9 an zwei gegenüberliegenden Enden des Behälters 4 gelagert. So ist die Rührwelle 9 an einer antriebsseitigen Lagerung 6 und an einer Gegenlagerung 7 gelagert. In der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform ist die antriebsseitige Lagerung 6 unmittelbar benachbart zur Antriebsvorrichtung 2 angeordnet, während die Gegenlagerung 7 an der der Antriebsvorrichtung 2 gegenüberliegenden Seite des Behälters 4 angeordnet ist. So kann die antriebsseitige Lagerung an einem oberen Behälterende des Behälters 4 ausgebildet sein und die Gegenlagerung 7 in oder an der Bodenfläche des Behälters 4. In alternativen Ausführungsformen kann die antriebsseitige Lagerung auch im Boden des Behälters 4 oder in einer seitlichen Wand des Behälters 4 ausgebildet sein, während die Gegenlagerung an der jeweils gegenüberliegenden Seite des Behälters angeordnet ist.
An der Rührwelle 9 sind mehrere Rührfortsätze 5 ausgebildet, die sich bei Rotation der Rührwelle 9 um ein Rotationsachse R des Rührelements 3 durch das Medium 8 bewegen und das Medium dabei durchmischen. Die Rührfortsätze 5 sind in der gezeigten Ausführungsform schraubenähnlich ausgebildet, also von der Form an eine Schiffsschraube angelehnt. Die Rührfortsätze 5 können jedoch auch eine andere Form aufweisen und zur Durchmischung des Mediums 8 ausgebildet sein.
Die Rotationsachse R ist im gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen vertikal im Bezugssystem der Erde angeordnet. Die Rotationsachse R ist eine Rotationssymmetrieachse der stabförmigen Rührwelle 9, und verläuft im Wesentlichen senkrecht von der Antriebsvorrichtung 2 (bzw. der Behälterwand, an der die Antriebsvorrichtung angeordnet ist) weg ins Innere des Behälters 4.
Der Drehmotor 10 umfasst die Antriebsvorrichtung 2 sowie Teile des Rührelements 3, insbesondere an der antriebsseitigen Lagerung 6 gelagerte Teile des Rührelements 3. Der Drehstrommotor 10 weist insbesondere einen Stator und einen Rotor auf, von denen Ausführungsformen näher in den nächsten Figuren beschrieben sind.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch die Antriebsvorrichtung 2 der in Figur 1 gezeigten Mischvorrichtung 1. Der gezeigte Querschnitt zeigt einen Schnitt durch eine Ebene Z-Z, die in Figur 1 gekennzeichnet ist und im Wesentlichen horizontal im Bezugssystem der Erde durch die Antriebsvorrichtung 2 hindurch angeordnet ist. Die Schnittebene Z-Z verläuft zudem im Wesentlichen parallel zu derjenigen Behälterwand 4' des Behälters 4 (vgl. Figur 1 ), an bzw. in der die Antriebsvorrichtung 2 ausgebildet ist. Dabei handelt es sich bei der Behälterwand 4' um die obere Behälterwand des Behälters 4. Alternativ könnte auch eine andere Behälterwand des Behälters 4 verwendet werden, um die Antriebsvorrichtung 2 dort anzuordnen. Die Antriebsvorrichtung 2 weist einen Stator 20 des Drehstrommotors 10 auf, der mehrere Spulen 21 aufweist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Stator 20 sechs im Wesentlichen gleich große und gleichartige Spulen 21 auf, die um die Rotationsachse R symmetrisch in einem Kreis angeordnet sind. Dabei sind die Spulenachsen der Spulen 21 parallel zur Rotationsachse R angeordnet.
Figur 3A zeigt einen Querschnitt durch den Drehstrommotor 10, und zwar sowohl durch den Stator 20 als auch durch einen Rotor 30 des Drehstrommotors 10. Dabei liegt die Rotationsachse R in der Schnittebene des gezeigten Querschnitts. Der Querschnitt verläuft durch eine Ebene A-A, die in Figur 2 markiert ist und senkrecht durch die Mitte des Stators 20 verläuft. Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform ist die Schnittachse somit eine vertikale Schnittachse im Bezugssystem der Erde.
Neben einem Spulenkern 22 und den Spulen 21 weist der Stator 20 ferner ein Statorgehäuse 23 sowie einen Klemmvorsprung 24 auf. Das Statorgehäuse 23 dient zum sicheren, ortsfesten Fixieren und/oder Anordnen der Spulen 21 des Stators 20. Das Statorgehäuse 23 ist wie der gesamte Stator 20 ortsfest und unrotierbar ausgebildet.
Der Klemmvorsprung 24 ist an der dem Rotor 30 zugewandten Seite des Statorgehäuses 23 ausgebildet und dient zum Lagern eines Rotorgehäuses 33 des Rotors 30. Dazu weist das Rotorgehäuse 33 einen Klemmeinsatz 34 auf, der mit dem Klemmvorsprung 24 des Stators z.B. durch eine Klemmschelle verbunden werden kann. Der Klemmvorsprung 24 und der Klemmeinsatz 34 befinden sich im Betriebszustand in einem Klemmsitz, in dem das Rotorgehäuse 33 steif mit dem Statorgehäuse 23 verklemmt ist.
Der Klemmvorsprung 24 sowie der Klemmeinsatz 34 sind in der gezeigten Ausführungsform den Drehstrommotor 10 vollständig umlaufend ausgebildet. In anderen Ausführungsformen können Klemmvorsprung und Klemmeinsatz den Drehstrommotor lediglich teilweise umlaufen, lediglich an einzelnen Stellen der Gehäuse ausgebildet sein und/oder eine andere Befestigung zur Lagerung des Rotorgehäuses 33 an das Statorgehäuse 23 vorgesehen sein.
Das Rotorgehäuse 33 durchdringt die Behälterwand 4' an einer Öffnung und ist in dieser Öffnung der Behälterwand 4' am Statorgehäuse 23 gelagert und/oder befestigt. Das Rotorgehäuse 33 weist einen ortsfesten Stift 32 auf, dessen Mittelachse mit der Rotationsachse R zusammenfällt und der (wie das Rotorgehäuse 33) ortsfest und unrotierbar ausgebildet ist. Um den ortsfesten Stift 32 herum ist ein Kugellager 36 angeordnet, das um den ortsfesten Stift 32 und um die Rotationsachse R herum drehbar ist. Am Kugellager 36 sind mehrere Permanentmagneten 31 des Rotors 30 gelagert, die sich um den ortsfesten Stift 32 herum bewegen können, und dabei eine Rotationsbewegung um die Rotationsachse R durchführen. Die Permanentmagneten 31 bilden einen rotierbaren Teil des Rotors 30, mit dem die Rührwelle 9 steif gekoppelt ist. Bei Rotation des Rotors 30, genauer gesagt der Permanentmagneten 31 , um die Rotationsachse R rotiert deswegen auch die Rührwelle 9 um die Rotationsachse R. In einer alternativen Ausführung ist der Rotor mit einer anderen Lagerung, z.B. ohne Stift und mit außen liegendem Lager im Rotorgehäuse gelagert.
In Figur 3A gezeigt ist weiterhin ein Magnetfluss MG durch gegenüberliegende Spulen 21 des Stators 20 sowie durch gegenüberliegende Permanentmagneten 31 des Rotors 30. In der in Figur 3A gezeigten Ansteuerung des Drehstrommotors 10 verläuft der Magnetfluss MG somit durch gegenüberliegende Spulen und gegenüberliegende Permanentmagneten.
Alternativ dazu kann derselbe Drehstrommotor 10 auch so angesteuert werden, dass ein Magnetfluss MN durch benachbarte Spulen 21 des Stators 20 sowie durch benachbarte Permanentmagneten 31 des Rotors 30 erfolgt. Diese Ansteuerung ist in dem in Figur 3B gezeigten Querschnitt durch den Drehstrommotor 10 gezeigt. Der in Figur 3B gezeigte Querschnitt ist parallel versetzt zu dem in Figur 3A gezeigten Querschnitt und zeigt einen Schnitt durch eine Schnittebene B-B, die ebenfalls in Figur 2 gezeigt ist. Durch eine nicht in den Figuren gezeigte Steuerung können die Spulen 21 des Drehstrommotors 0 wahlweise wie in Figur 3A gezeigt oder wie in Figur 3B gezeigt angesteuert werden. Zudem kann durch die Steuerung die Stromstärke und somit die Anziehungskraft zwischen den Spulen 21 und den Permanentmagneten 31 eingestellt werden. Mit dem gezeigten Drehstrommotor 10 kann die im medienberührenden Bereich gelagerte Rührwelle 9 angetrieben werden, ohne dass ein rotierendes Element des Antriebs durch den Beutel 4 hindurch in den zum Beispiel sterilen Bereich eingeführt werden muss. Dabei kommt der Antrieb nicht mit dem Medium in Kontakt, wird nicht kontaminiert und muss für einen nachfolgenden Prozess nicht gereinigt und/oder sterilisiert werden. Weiterhin entfällt eine aufwendige Abdichtung einer Drehdurchführung in den medienberührenden Bereich hinein.
Wie in den Figuren 3A und 3B gezeigt, können die Magnetfelder MG und/oder MN unterschiedlich ausgebildet sein, und zwar abhängig von der geometrischen Anordnung und elektrischen Ansteuerung der Spulen 21 und der Ausführung des Rotors 30. Die Anordnung und Verschaltung kann darauf optimiert sein, einen Magnetfluss durch zwei benachbarte Spulenmagnetpaare oder durch zwei gegenüberliegende Spulenmagnetpaare zu bewirken. Die Spulen 21 werden dabei jeweils so angesteuert, dass durch das erzeugte Magnetfeld der Rotor 30 in eine gewünschte Drehrichtung um die Rotationsachse R herum verschoben wird, sich das Magnetfeld also zwischen dem in Drehrichtung nächsten Spulenpaar und nächsten Permanentmagneten ausbildet. Dabei folgt der Rotor 30 synchron dem Drehfeld der Spulen 21.
Bei einer alternativen Ausführungsform des Rotors weist der Rotor keine Permanentmagneten auf, sondern einen oder mehrere Kurzschlussläufer. Dabei entsteht im aus Blechpaketen mit kurzgeschlossenen Wicklungen und/oder im aus einem ausgegossenen Kern aufgebauten Rotor mittels eines schnell umlaufenden Magnetfelds der Spulen 21 ein Stromfluss, der ein Magnetfeld im Rotor induziert. Durch die Anziehungskraft zwischen dem Drehfeld der Spulen des Stators und dem induzierten Magnetfeld im Rotor folgt der Rotor dem Drehfeld. Dabei folgt der Rotor dem Drehfeld asynchron, das heißt mit einer niedrigeren Drehzahl als der Drehzahl des Drehfeldes.
Figur 4 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen axialen Drehstrommotor 10 einer Mischvorrichtung. Der axiale Drehstrommotor 10 entspricht dem in den Figuren 2, 3A und 3B gezeigten Drehstrommotor 10. Die gezeigte Schnittebene verläuft durch die Rotationsachse R. Beim axialen Drehstrommotor 10 sind sowohl die Spulenachsen der Spulen 21 im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse R angeordnet, als auch die Permanentmagnete 31 des Rotors 30 im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse R ausgerichtet. "Ausrichtung der Permanentmagnete" bedeutet dabei die Ausrichtung des magnetischen Nordpols zum magnetischen Südpol. In der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform sind die magnetischen Südpole exakt oberhalb der magnetischen Nordpole und zwar parallel zur Rotationsachse R angeordnet. Der Drehstrommotor 10 ist somit als ein sogenannter axialer Drehstrommotor 10 ausgebildet.
Figur 5 zeigt einen radialen Drehstrommotor 1 1. Der radiale Drehstrommotor 11 ähnelt dem axialen Drehstrommotor 10 und weist einige gleiche oder ähnliche Bauteile auf. Die Schnittebene des in Figur 5 gezeigten Querschnitts beinhaltet die Rotationsachse R. Der Stator 20 weist Radialspulen 21 ' auf, deren Spulenachsen im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse R angeordnet sind. Genauer sind die Radialspulen 21 ' in einem Kreis um die Rotationsachse R so angeordnet, dass ihre Spulenachsen im Wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse R hinweisen. Bei Stromfluss durch die Radialspulen 21 ' wird ein Magnetfeld erzeugt, also ein Statormagnetfeld, das mit Radialpermanentmagneten 31 ' des Rotors 30 wechselwirkt. Auch die Radialpermanentmagneten 31 ' sind im Wesentlichen kreisförmig und senkrecht zur Rotationsachse R angeordnet. Dabei weist entweder der magnetische Nordpol oder der magnetische Südpol nach außen hin in Richtung zu einer Radialspule 21 '.
Beim radialen Drehstrommotor 11 greift der Rotor 30 vollständig in eine Aussparung des Stators 20 ein, wobei der Rotor 30 zumindest teilweise im Inneren des Stators 20 gelagert ist. Wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform bewirkt eine Rotationsbewegung des Rotors 30 um die Rotationsachse R eine Drehung (also Rotation) der Rührwelle 9, die an den Rotor 30 gekoppelt ist. Dabei ist der Rotor 30 auf einer Rotorlagerung 35 gelagert, die eine Öffnung aufweist, durch die die Rührwelle 9 an den Kopf des Rotors mit den Radialpermanentmagneten 31 ' gekoppelt ist. Die Rotorlagerung 35 als Teil eines Rotorgehäuses ist mit der Behälterwand 4' verbunden, ortsfest und unrotierbar ausgebildet und kann einen Klemmsitz mit dem Statorgehäuse 23 eingehen.
Die Kupplung zwischen dem Rotor und Stator kann somit entweder axial aufgebaut sein, also zum Beispiel wie beim axialen Drehstrommotor 10, der in Figur 4 gezeigt ist, oder radial aufgebaut sein, also zum Beispiel wie beim radialen Drehstrommotor 1 , der in Figur 5 gezeigt ist. Bei beiden Ausführungsformen sind Rotor 30, Rührwellen 9, insbesondere die Permanentmagneten 31 bzw. 31 ', also das gesamte Rührelement 3 im Inneren des Behälters 4 angeordnet und somit medienberührend ausgebildet. Das Statorgehäuse 23 kann optimiert ausgebildet sein für die Verschattung der Spulen 21 bzw. 21 ', und die Position der Permanentmagneten bzw. Kurzschlussläufer. Sowohl beim axialen Drehmotor als auch beim radialen Drehmotor kann das (nicht medienberührende) Statorgehäuse eine Klemmverbindung mit dem (medienberührenden) Rotorgehäuse eingehen. Dabei ist das Rotorgehäuse 33 ortsfest und unrotierbar ausgebildet, und dient als ortsfeste und unrotierbare Lagerung für die Rührwellen 9 sowie die Permanentmagneten 31 , 31 ' bzw. den oder die Kurzschlussläufer.
Anstelle einer Klemmverbindung zwischen dem Statorgehäuse und dem Rotorgehäuse können Verschraubungen, magnetische Kopplungen und/oder andere Befestigungen vorgesehen sein. Die Rührwelle 9 kann einerseits an der Antriebsvorrichtung 2 gelagert sein und andererseits wie in Figur 1 gezeigt, auch an einer Gegenlagerung 7. Alternativ kann das Rührelement 3 nur einseitig gelagert sein, nämlich an der antriebsseitigen Lagerung 6. In einer solchen Ausführungsform durchdringt das Rührelement den Behälter 4 nicht vollständig, sondern ragt lediglich von einer Behälterwand des Behälters 4 ins Innere des Behälters 4 hinein. Die doppelte Lagerung, also die Lagerung an gegenüberliegenden Wänden des Behälters 4, erhöht jedoch die Stabilität der Rührwelle bei ihrer Rotationsbewegung.
Bezugszeicheniiste
1 Mischvorrichtung
.2 Antriebsvorrichtung
3 Rührelement
4 Behälter bzw. Beutel
■ 4' Behälterwand
5 Rührfortsatz
6 antriebsseitige Lagerung
7 Gegenlagerung
8 Medium
9 Rührwelle
10 axiale Drehstrommaschine
11 radiale Drehstrommaschine
20 Stator
21 Spule
21 ' Radialspule
22 Spulenkern
23 Statorgehäuse
24 Klemmvorsprung
30 Rotor
31 Permanentmagnet
31 ' radialer Permanentmagnet
32 ortsfester Stift
33 Rotorgehäuse
34 Klemmeinsatz 35 Rotorlagerung
36 Kugellager
R Rotationsachse
MG Magnetfluss durch gegenüberliegende Spulen MN Magnetfluss durch benachbarte Spulen

Claims

Patentansprüche
1. Mischsystem, insbesondere Bioreaktor und/oder Pallettank, zum Mischen eines Fluids und/oder eines Feststoffs, mit
- einem Behälter (4), wobei im Inneren des Behälters (4) das Fluid und/oder der Feststoff sowie ein rotierbares Rührelement (3) zum Mischen des Fluids und/oder des Feststoffs angeordnet sind, und
- einer Mischvorrichtung (1 ) mit einer Aufnahme zum Aufnehmen des Behälters (4) und einer Antriebsvorrichtung (2) zum Antreiben des Rührelements (3),
wobei
- die Antriebsvorrichtung (2) einen Stator (20) einer Drehstrommaschine (10;
11 ) aufweist,
- das Rührelement (3) einen Rotor (30) der Drehstrommaschine (10; 1 1 ) aufweist und
- der Rotor (30) zumindest einen Permanentmagnet (31 ; 31 ') und/oder zumindest einen Kurzschlussläufer aufweist.
2. Mischsystem nach Anspruch 1 , wobei beim Betrieb der Mischvorrichtung (1 ) ein vom Rotor (30) verursachtes Rotormagnetfeld mit einem vom Stator (20) erzeugten Statormagnetfeld wechselwirkt.
3. Mischsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Rührelement (3) mittels elektrisch ansteuerbarer Magnetkraft an der Antriebsvorrichtung (2) gelagert ist.
4. Mischsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Rührelement (3) in einem Berührkontakt mit dem Fluid und/oder Feststoff steht und die Antriebsvorrichtung (2) nicht in Berührkontakt mit dem Fluid und/oder Feststoff steht.
5. Mischsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Steuerung zum Ansteuern zumindest einer elektrischen Spule (21 ; 21 ') des Stators (20).
6. Mischsystem nach Anspruch 5, wobei die Steuerung eine Anziehungskraft zwischen Rotor (30) und Stator (20) einerseits und/oder eine Rotationsgeschwindigkeit des Rotors (30) andererseits steuert und/oder einstellt.
7. Mischsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Behälter (4) als flexibler Beutel ausgebildet ist und die Mischvorrichtung (1 ) ein Behältnis zum Aufnehmen des flexiblen Beutels aufweist.
8. Mischsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Drehzahlüberwachungsvorrichtung des Rührelements (3).
9. Mischsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Magnetkraftbegenzung und/oder Drehmomentbegrenzung der Drehstrommaschine (10; 11 ).
10. Mischsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Mischvorrichtung (1 ) als ein Bioreaktor ausgebildet ist und das Fluid und/oder der Feststoff als ein biologisches Fluid und/oder biologischer Feststoff ausgebildet ist.
11. Mischsystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Drehstrommaschine als axiale Drehstrommaschine (10) ausgebildet ist, bei der eine Rotationsachse (R ) des Rotors (30) im Wesentlichen parallel ausgerichtet ist zu Spulenachsen von Spulen (21 ) des Stators (20);
oder
wobei die Drehstrommaschine als radiale Drehstrommaschine (11 ) ausgebildet ist, bei der eine Rotationsachse (R ) des Rotors (30) im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet ist zu Spulenachsen von Radialspulen (21 ') des Stators (20).
12. Mischvorrichtung (1 ), insbesondere Bioreaktor und/oder Pallettank, zum Mischen eines Fluids und/oder eines Feststoffs, mit
- einer Aufnahme zum Aufnehmen eines Behälters (4), wobei im Inneren des Behälters (4) das Fluid und/oder der Feststoff sowie ein rotierbares Rührelement (3) zum Mischen des Fluids und/oder des Feststoffs angeordnet sind, und
- einer Antriebsvorrichtung (2) zum Antreiben des Rührelements (3), wobei
- die Antriebsvorrichtung (2) einen Stator (20) einer Drehstrommaschine (10;
11 ) aufweist und
- die Antriebsvorrichtung (2) dazu ausgebildet und vorgesehen ist, das Rührelement (3) anzutreiben, das einen Rotor (30) der Drehstrommaschine (10; 11 ) aufweist, wobei der Rotor (30) zumindest einen Permanentmagnet (31 ; 31 ') und/oder zumindest einen Kurzschlussläufer aufweist.
13. Behälter zum Mischen eines insbesondere biologischen Fluids und/oder eines insbesondere biologischen Feststoffs in einer Mischvorrichtung nach Anspruch 12, wobei
- im Inneren des Behälters (4) das Fluid und/oder der Feststoff sowie ein rotierbares Rührelement (3) zum Mischen des Fluids und/oder des Feststoffs angeordnet sind und
- das Rührelement (3) einen Rotor (30) einer Drehstrommaschine (10; 11 ) aufweist, wobei der Rotor (30) zumindest einen Permanentmagnet (31 ; 31 ') und/oder zumindest einen Kurzschlussläufer aufweist.
14. Verfahren zum Mischen eines insbesondere biologischen Fluids und/oder eines insbesondere biologischen Feststoffs, wobei
- ein Behälter (4) bereitgestellt wird, wobei im Inneren des Behälters (4) das Fluid und/oder der Feststoff angeordnet ist,
- das Fluid und/oder der Feststoff mittels zumindest eines im Inneren des Behälters (4) angeordneten, rotierbaren Rührelements (3) gemischt wird, wobei das Rührelement (3) einen Rotor (30) einer Drehstrommaschine (10; 11 ) aufweist, - das Rührelement (3) von einer Antriebsvorrichtung (2) angetrieben wird, wobei die Antriebsvorrichtung (2) einen Stator (20) der Drehstrommaschine (10; 11 ) aufweist und
- der Rotor (30) zumindest einen Permanentmagnet (31 ; 31 ') und/oder zumindest einen Kurzschlussläufer aufweist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Drehstrommaschine (10; ) als Elektromotor betrieben wird zum Antreiben des Rührelements (3)
und/oder
wobei die Antriebsvorrichtung (2) Spulen (21 ; 21 ') aufweist, an die jeweils periodisch wechselnde Spannungen angelegt werden, so dass von einer ersten der Spulen (21 ; 21 ') ein erstes Magnetfeld erzeugt wird, dessen zeitlicher Verlauf gegenüber einem zeitlichen Verlauf zumindest eines zweiten Magnetfelds einer zweiten der Spulen (21 ; 21 ') zeitlich versetzt ist.
PCT/EP2016/001190 2015-07-30 2016-07-11 Mischsystem, mischvorrichtung, behälter und verfahren zum mischen eines fluids und/oder eines feststoffs Ceased WO2017016640A1 (de)

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