WO2024251477A1 - Trennanlage zum trennen einer suspension - Google Patents

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WO2024251477A1
WO2024251477A1 PCT/EP2024/063267 EP2024063267W WO2024251477A1 WO 2024251477 A1 WO2024251477 A1 WO 2024251477A1 EP 2024063267 W EP2024063267 W EP 2024063267W WO 2024251477 A1 WO2024251477 A1 WO 2024251477A1
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WO
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housing
separator
drum
container
separation system
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PCT/EP2024/063267
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andrej MICHEL
Kai HELMRICH
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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Publication date
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Priority to IL324927A priority patent/IL324927A/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • 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
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B15/00—Other accessories for centrifuges
    • B04B15/04—Other accessories for centrifuges for suppressing the formation of foam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B15/00—Other accessories for centrifuges
    • B04B15/08—Other accessories for centrifuges for ventilating or producing a vacuum in the centrifuge

Definitions

  • the invention relates to a separation plant for separating a suspension with a centrifugal separator, according to the preamble of claim 1.
  • Centrifugal separators particularly disc separators, within the meaning of this document are used to separate a flowable suspension as the starting product in the centrifugal field into phases of different densities.
  • the parts of the separators used that come into contact with the product must be sterile.
  • the main application of the present invention is in the field of centrifugal separators, in particular disc separators, with so-called exchangeable separator inserts, as are suitable for single-use applications.
  • centrifugal separators in particular disc separators, with so-called exchangeable separator inserts, as are suitable for single-use applications.
  • all elements that come into contact with the product should be disposed of after their single use in order to avoid cross-contamination.
  • a container e.g. a plastic bag or plastic container, which is in the process of the light and/or heavy phase, at a defined fill level so that it neither runs empty nor overflows.
  • a suitable measuring system and a drainage system must be selected so that it controls the flow of individual product phases, possibly with the help of a control system, in such a way that the liquid level in the container can be kept constant even if the flow into the container fluctuates.
  • EP 3 885 050 A discloses a device and a method for separating a suspension into several product streams.
  • the mass of a product stream derived from the separation device into a container is determined using a scale.
  • the density of the separated phase can fluctuate. For example, it can contain air bubbles or air inclusions and even form a foam phase. With variable density the calculation of the fill level in such a container also fluctuates. The suitability of a weighing system for fill level control is therefore limited.
  • a separation system with a container in which a liquid level can be kept at a defined value regardless of the medium, i.e. even with media with fluctuating density, so that the container is not overfilled, for example.
  • the fill level can optionally be determined.
  • a separation plant according to the invention serves to separate a suspension with a centrifugal separator as part of said separation plant.
  • the centrifugal separator has a frame and a housing.
  • centrifugal separator has a separator insert which is designed as a pre-assembled, exchangeable unit for arrangement in or on the frame.
  • the separator insert has a housing which is stationary during operation and a rotor which can be mounted in or on the housing and which can rotate about an axis of rotation and has a drum with a drum wall.
  • the suspension in question is separated in the centrifugal field into a light and a heavy phase and these are then discharged separately. It is also possible that one phase, in particular the heavy phase, remains in the drum and only the light phase is discharged.
  • the separator insert then preferably has a separating agent arranged in the drum.
  • a separating agent can be, for example, a stack of plates, which preferably has conical separating plates. This serves to increase the clarifying surface.
  • the separator insert has at least one product inlet line and at least one product outlet line.
  • the separator can also advantageously have several product inlet lines and several product outlet lines.
  • a solid phase can be discharged via a separate product outlet line as part of the separator insert. All product inlet lines from the drum are part of the inlet system and all product outlet lines from the drum are part of an outlet system.
  • the entire separator insert with its inlet and outlet system is advantageously designed in a sealed manner with respect to the frame or the housing. If the housing is part of the replaceable separator insert, it is preferably designed in a sealed manner with respect to the frame. If the housing is not part of the replaceable separator insert, it is designed so that the rotor can be inserted into the housing. The housing can then be closed and sealed from its surroundings.
  • the feed system can have several product feed lines and the discharge system can have several product discharge lines.
  • a separate product feed line can be used, for example, to add flocculants or the like to the suspension.
  • Other substances, e.g. agents for preserving the product during processing, such as ascorbic acid, possibly as a diluted solution, can also be fed in via a separate product feed line.
  • the product-contacting areas of the separator insert are partially or completely made of plastic.
  • the housing and/or one or more further containers are connected by means of a suitable
  • the device can be directly or indirectly pressurized with sterile air A or an inert gas and can be placed under an overpressure by this pressurization and/or the housing with the device can be placed under a negative pressure.
  • positive pressure and negative pressure refer to the environment of the housing.
  • the housing can be designed as a part of the replaceable separator insert made partially or completely of plastic.
  • the housing can be designed as part of the frame and not as part of the separator insert. It is then advantageous if the housing can be opened in order to be able to insert and remove the pre-assembled separator insert.
  • the device comprises a pressurised tank, downstream of which is a controllable valve and/or a controllable throttle or the like, and/or a pump.
  • the housing is in pressure and fluid connection with the other container(s), e.g. containers for the light phase and drainage, such an arrangement also reduces or prevents outgassing in these containers
  • the sterile chamber is ventilated or that the inert gas is forced through a sterile filter (not shown) into the drainage container or containers in the light or heavy phase outlet in order to put them under pressure.
  • a control unit is provided which is designed to control and/or regulate the supply of sterile air or an inert gas.
  • control unit it has also proven useful to use the control unit to set the flow rate of the compressed air or inert gas supply to a value between 0.1 and 10 l/min and the overlay pressure to a value between 10 mbar and 300 mbar.
  • the sterile air or inert gas supply can be continuous or pulsed.
  • a foam-reducing agent can be injected at least into the housing and/or the at least one further container.
  • the separation system has at least one container which is connected to the at least one product discharge line.
  • This container preferably has an inlet and outlet opening which are spatially separated from one another.
  • the separation system can then have a fill level measuring device for determining a liquid level of the suspension within the container and/or at least one or more limit switches for detecting a liquid level reached within the container.
  • the separation system can also have a control system which receives and evaluates the fill level measuring signals and generates the necessary signals for controlling one or more drain pumps and/or any valves required.
  • the fill level measuring device and/or the limit switch are arranged non-invasively on the outside of the container so that no direct contact is made with the product. This can prevent surface reactions on the measuring surfaces or the contact surfaces of the sensor element and the like.
  • Non-invasive sensors can also be reused in single-use systems, since in this case only components that come into contact with the product are usually used once. Examples of possible principles for such non-invasive measurements are: capacitive measurement, optical measurement, measurement of the damping of vibration, pressure measurement, measurement of deformation or time-of-flight measurement of ultrasonic or radar signals.
  • the container may have a drain, e.g. a drain nozzle, for the continuous drainage of a liquid.
  • a drain e.g. a drain nozzle
  • the fill level measuring device and/or the limit switch has a sensor element for transmitting and/or receiving an electromagnetic signal, preferably an ultrasonic signal, a microwave signal and/or a light signal.
  • an electromagnetic signal preferably an ultrasonic signal, a microwave signal and/or a light signal.
  • the centrifugal separator can also have a discharge line for the heavy phase and a discharge line for a light phase, preferably each as part of the aforementioned discharge system, wherein a pump is arranged in at least one of the discharge lines.
  • the separation system can advantageously have a device for adjusting the filling level in the container.
  • the pump can be part of this device. The same applies to the filling level measuring device and/or the at least one limit switch.
  • the pump is designed to be adjustable based on the measuring signals from the filling level measuring device and/or the limit switch. This includes, among other things, a signal connection between the elements, optionally via cable or via wireless transmission to the evaluation unit and/or to the control system.
  • the filling level measuring device can be designed to continuously determine the filling level. This can be detected in particular by signal reflection and/or a sudden signal change at a phase boundary.
  • the fill level measuring device and/or the at least one limit switch is particularly preferably arranged on the container in an exchangeable manner. This means that the measuring device can be reused even when the areas in contact with the product are disposed of and is therefore not a single-use component of the separation system according to the invention.
  • the filling level measuring device can in particular be arranged on the container, preferably on its bottom, in such a way that a signal perpendicular to the liquid level If this is reflected at the liquid level, only one sensor element that can be switched between transmitting and receiving mode is necessary, which simplifies the device design.
  • the separation system for regulating the fill level in a defined filling area in the container can have at least two limit switches for detecting a lower and an upper fill level. These can, for example, be directed from the side of the container from the outside or be in contact with the container. When the upper fill level is exceeded, this is detected by the control system and a corresponding signal is sent, for example, to the drain pump. This is then switched on until the lower fill level is again undershot. In this way, the fill level can be kept between the lower and upper fill levels.
  • control system can, for example, also determine the speed at which the bag fills or empties.
  • the device for adjusting the discharge volume can optionally have a pressure sensor for determining the pressure of the liquid in the container, which is preferably arranged at the bottom of the container and/or at an outlet of the container.
  • the pressure sensor also enables the filling level to be determined, since there is a correlation between the height of the liquid column in the container and the pressure generated thereby.
  • the fill level measuring device and/or the limit switch(es) can advantageously have an ultrasonic sensor element and an evaluation unit which is set up to monitor the suspension composition by comparing a determined sound speed with a medium-specific target value of a sound speed. It is known that the signal speed correlates with the composition in the medium. In the case of a known measuring medium with a fluctuating composition of the individual components or in the case of foam formation or air inclusions, a determination can be made by comparing and, if necessary, interpolating several ultrasonic values for different compositions. While a clear signal change thus indicates a phase boundary, the precise evaluation of the signal speed enables at least monitoring of whether the respective derived light and/or heavy phase has a constant composition or not.
  • the aforementioned evaluation unit is set up to continuously determine a filling level using the runtime method.
  • the evaluation unit can have a data memory on which a corresponding computer program product is stored.
  • a capacitive change can also be detected by the measuring arrangement.
  • the sensor for measuring the capacitive change is mounted from the outside at a distance of a few millimeters from the container or brought into contact with the container. If the container contents cover the measuring point, the value of the capacitive coupling changes, which is determined by an evaluation unit and, if necessary, passed on to a control system as a measuring signal. Analogous to the design variant already described above, several capacitive sensors can be used to keep the fill level in the container within a defined level.
  • the invention also provides a method for centrifugally separating a suspension into at least two flowable phases with a provided separation system which is designed according to one of the claims related thereto, with at least the following steps: a) feeding a provided suspension into the rotating drum, b) carrying out the centrifugal separation of the suspension in the rotating drum of the separator insert, and c) discharging the at least two flowable phases from the drum, d) wherein an overpressure or a negative pressure is generated in the container during the centrifugal separation.
  • the invention is described in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawing, in which further advantageous variants and embodiments are also discussed. It should be emphasized that the exemplary embodiments discussed below are not intended to describe the invention in full, but that variants and equivalents not shown can also be implemented and fall under the claims. It shows:
  • Fig. 1 is a schematic, sectional view of a first replaceable separator insert of a separator together with a schematic view of an inlet and outlet system and a control device of the separator;
  • Fig. 2 is 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 device of the separator;
  • Fig. 3 is a schematic representation of a centrifuge separator with a reusable frame and a replaceable separator insert, the latter here in the manner of Fig. 1, with hose sections arranged thereon;
  • Fig. 4 is a perspective view of the replaceable separator insert from Figs. 1 and 3 with hose sections arranged thereon;
  • Fig. 5 - 7 three successive steps when inserting the exchangeable separator insert from Fig. 4 into the frame of Fig. 3;
  • Fig. 8 is a perspective view of a modification of the separator and the separator insert of Figs. 1-7 as a further embodiment
  • FIG. 9 schematic representation of a separation plant according to the invention for carrying out a preferred separation process
  • Fig. 10 is a perspective view of a separator insert in a modification of the variants of Fig. 1 -8 with an integrated drainage drain line;
  • Fig. 11 shows a further embodiment with a rotor as separator insert and a housing as a fixed, non-replaceable component of the separator
  • Fig. 12 shows a further embodiment of a separator insert, which has at least one connection piece on its housing for supplying or discharging gas.
  • FIG. 1-12 show several centrifugal separators 100 with a reusable frame I and with an exchangeable separator insert II for centrifugal separation.
  • the separation process can be implemented in particular by the embodiments of Figs. 10-12, in which a drainage discharge line 120 is provided.
  • a separation system 200 according to the invention is shown in Fig. 9.
  • the separator insert could also be designed in the manner of Fig. 1 or Fig. 2 and, if necessary, be supplemented by a drainage drain line (not shown).
  • the separator insert II is preferably designed as a prefabricated unit.
  • the separator insert II is designed as a disposable separator insert that is exchangeable or replaceable as a whole and designed as a pre-assembled unit, which is made entirely or predominantly from plastic or plastic composite materials.
  • the separator insert (which does not include elements 4a and 5a) is shown separately as an example in Figures 1 and 2. It can be disposed of after processing a product batch and replaced with a new separator insert II.
  • the separator insert II of the separator has a housing 1 and the rotor 2 inserted into the housing 1, which can rotate 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 designed accordingly.
  • the rotor 2 of the separator insert II has a rotatable drum 3.
  • the rotor 2 is rotatably mounted at two locations axially spaced from one another in the direction of the axis of rotation with respective magnetic bearing devices 4, 5.
  • the rotor 2 or thus also the drum 3 is rotatably mounted 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 hold the rotatably mounted rotor 2 in suspension, preferably in the housing 1 at a distance from the latter.
  • Such a separator with an easily replaceable 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 will be introduced into the product - a flowable suspension or its phases - during centrifugal processing or where cleaning and disinfection of the separator would be very complex or even impossible.
  • the frame I has a console 1-1. This can - but does not have to - be mounted on a carriage I-2 with rollers I-3. Receptacles I-4 and I-5 can be formed on the console 1-1, which serve to receive and hold the separator insert II even during operation. Preferably, a first axial end of the separator insert II projects from below into or towards the upper receptacle I-4 and a lower end of the separator insert II projects from above into or towards the other receptacle I-5, and the separator insert II is held on the console 1-1 and thus on the frame I in a rotationally fixed manner.
  • mounts I-4 and/or I-5 can be arranged on the side of the frame I, in particular the console 1-1. According to a variant, it can be further provided that, for example, the lower mount I-5 is fixed to the console 1-1. It is then advantageous that the further upper mount I-4 is height-adjustable on the console 1-1.
  • the console 1-1 has such a vertical extension/length that the separator insert is held stationary in a first position of the height-adjustable holder I-4 by both height-adjustable holders I-4, I-5 and is interchangeable in the other upper position.
  • the holders I-4 and I-5 with the stator units 4a, 5a on the frame I can be moved axially apart and towards each other again in order to change the separator insert II, ie to be able to remove the old separator insert II from the frame I and replace it with a new one.
  • This can be achieved, for example, with a rail on the console and a Movable slide that can be locked in a sliding position on the height-adjustable holder (not shown in detail).
  • 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.
  • 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 or on the frame I, e.g. in, on or on the console 1-1.
  • Corresponding form-locking 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 into the stator units 4a, 5a in a rotationally fixed manner.
  • the upper and lower stator units 4a, 5a can each have axes that are aligned with one another.
  • the housing 1 and the receptacles I-4 or I-5 with the stator units 4a, 5a can have projections (e.g. pins or webs) and recesses (e.g. holes) as the corresponding form-locking means in order to hold the housing 1 in a rotationally fixed manner on the stator units and thus on the frame II.
  • the corresponding form-locking means can also be formed directly on the frame II.
  • the position of these corresponding form-locking means also defines the functionally required position of the stator units 4a, 5a and the rotor units 4b, 5b relative to one another. This particularly applies to the precise centering of the coaxially nested units 4a, 5a and 4b, 5b.
  • the mounts can also exert a holding force (from above and below) on the housing in the axial direction in order to hold it in a force-locking manner if necessary.
  • the receptacles I-4 and I-5 with the stator units 4a, 5a of the frame I each have several pins 41 a projecting in the axial direction, and the respective Separator insert II can have corresponding blind holes on the housing 1, for example extending in the axial direction, as recesses 42 and 41 b.
  • the holder I-4 with the stator unit 4a has pins 41 that project axially or vertically downwards (not visible here) and the separator insert II has blind hole-like recesses 42 that correspond vertically at the top (visible here) and the lower holder I-5 with the lower stator unit 5a has pins 41 a that project axially or vertically upwards (visible here) and the separator insert II has blind hole-like recesses that correspond axially at the bottom (not visible here).
  • four pins 41 a and recesses 41 b are arranged distributed on the corners of an imaginary polygon, in particular a square, at the top and bottom of the holders I-4, I-5 and the housing 1 of the separator insert II.
  • corresponding form-locking means 41 a, 41 b and 42 are arranged circumferentially distributed around the separator insert II.
  • the corresponding form-locking means can also be arranged asymmetrically to ensure that the separator insert can only be used in a single orientation.
  • the stator units 4a, 5a can each have openings, in particular through-openings 43, in order to accommodate lines such as hoses 44, 45 connected to the separator insert II at the top and/or bottom.
  • One or both mounts I-4 and I-5 is/are designed to be vertically adjustable.
  • One of the two mounts I-4 or I-5 can therefore also be fixed to the frame I.
  • one of the two mounts I-4 or I-5 - e.g. the lower one - is designed on a wall of the frame I and is not adjustable. It is then sufficient to design the frame I in such a way that the other mounts I-4 or I-5 are adjustable, in particular arranged and/or designed to be vertically height-adjustable on the frame I.
  • Fig. 5 shows the frame I before inserting a separator insert II.
  • the two stator units 4a, 5a have been moved far enough apart relative to one another that the respective separator insert can be lifted axially between the two receptacles with the stator units 4a, 5a (Fig. 5, 6), with the separator insert II then being placed in/on the lower receptacle I-5 (Fig. 6 and 7) so that the corresponding form-fitting means - here 41, 42 - engage with one another.
  • the hose 45 at the lower end of the housing 1 has been guided downwards through the through-opening 43 of the lower - and thus axially associated - stator unit 5a (Fig. 6).
  • the upper receptacle I-4 is lowered until the corresponding form-fitting means of the upper receptacle I-4 and the housing 1 of the separator insert I - here 41, 42 - also engage securely with one another (Fig. 7).
  • upper hoses 44 on the housing 1 are guided through the through-opening 43 of the upper holder I-4.
  • the separator insert II is now securely held on the frame I in a rotationally fixed manner. The spinning and separating process for processing a product batch in the centrifugal field can therefore begin.
  • the upper separator unit is lifted upwards again until the separator unit can be lifted out of the frame I and replaced with a new one.
  • 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 be designed essentially in the manner of outer rings, which are used for the axial and radial bearing of the rotor 2 (e.g. above) or alternatively also for the rotary drive (e.g. below).
  • the rotor units 4b and/or 5b as part of the separator drive also represent a part of the rotating system or rotor.
  • the rotor of the drive is a 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 designed as axial and/or radial bearings, which support the drum 3 at its ends during operation in a cooperative manner axially and radially and keep it suspended and rotating during operation.
  • the magnetic bearing devices 4 and 5 can be designed in the same or largely the same way in terms of their basic structure. In particular, only one of the two magnetic bearing devices 4, 5 can also be used as a drive device. Corresponding components of the magnetic bearings 4, 5 are thus formed on the separator insert II - on its rotor 2 - and other corresponding parts on the frame I. 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, operate according to a combined electro- and permanent-magnetic operating principle.
  • At least the lower axially acting magnetic bearing device 5 serves to keep the rotor 2 suspended axially within the housing 1 by levitation. It can have one or more first permanent magnets, for example on the underside of the rotor, and furthermore have electromagnets on a holder on the frame, which coaxially surround the permanent magnet(s).
  • the rotor can be driven electromagnetically. However, a drive via rotating permanent magnets is also possible.
  • Such bearing and drive devices are used, for example, by the company Levitronix for driving centrifugal pumps (EP2 273 124 B1). They can also be used in the context of this document.
  • a first Levitronix motor "bottom” can be used as the drive, which simultaneously magnetically supports the drum radially and axially.
  • a second Levitronix motor - for example, identical in construction except for the control during operation - can be provided, which can support the rotor 2 radially and axially on the head as the magnetic bearing 4.
  • the rotor speed can be variably adjusted using a control device 37 (see Fig. 1 or 2) or a separate control device for the magnetic bearings 4, 5.
  • the direction of rotation of the rotor 2 can also be specified and changed in this way.
  • the rotor 2 rotates. It is thus held in axial suspension and centered radially.
  • the rotor 2 is preferably operated with the drum 3 at a speed of between 1,000, preferably 5,000 to 10,000, and possibly up to 20,000 revolutions per minute.
  • the centrifugal forces generated by the rotation lead to the separation of a suspension to be processed into various flowable phases LP, HP of different densities, as described above, and to their discharge, 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 discharged from the drum during operation.
  • the housing 1 preferably consists of a plastic or a plastic composite material.
  • the housing 1 can be cylindrical and have a cylindrical outer casing, at the ends of which two radially extending boundary walls 6, 7 (cover and base) are formed.
  • the drum 3 serves for the centrifugal separation of a flowable suspension S in the centrifugal field into at least two phases LP, HP of different densities, which can be, for example, a lighter 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.
  • the housing 1 and the rotor 2 could also be aligned differently in space. The following description refers to the vertical alignment shown (Fig. 3). If the orientation in space is different, the alignments change according to the new alignment. In addition, one or both outlets may be arranged differently - to be discussed later.
  • the rotor 2 of the separator with the drum 3 preferably consists entirely or predominantly of a plastic or a plastic composite material.
  • the drum 3 is preferably cylindrical and/or conical 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 (to be discussed later).
  • one of the openings is formed in each of the two axial boundary walls 6, 7, which are located here, for example, at the top and bottom, of the container 1.
  • One of the openings - in the first, here upper axial boundary wall 6 - enables or serves as an inlet 8 for feeding a suspension to be separated in the centrifugal field into at least two phases of different density - LP and HP - through the housing 1 into the drum 3, according to Figs. 1 and 2.
  • 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 which are associated with the openings of the housing.
  • An inlet 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 inserted into the housing 1 in a sealed manner according to Fig. 1 - e.g. by welding or gluing - or optionally designed as a one-piece plastic injection-molded part with the housing. It is preferably also made of plastic.
  • the inlet pipe 12 protrudes with one end from the top of the housing 1 and extends through the upper boundary wall 6 into the drum 3, whereby it does not touch the drum 3.
  • Fig. 1 but also Fig.
  • the inlet pipe 12 passes through the housing 1 and the one magnetic bearing 4 concentrically to the axis of rotation of the rotor 2, then extends axially further within the housing 1 into the rotatable drum 3 and ends there with its other end - a free outlet end.
  • the inlet pipe 12 opens into the drum 3 in a distributor 13 that can rotate with the drum 3.
  • the distributor 13 has a tubular distributor shaft 14 and a distributor base 15.
  • One or more distributor channels 16 are formed in the distributor base 15.
  • a separating plate stack made up of conical separating plates 17 can be placed on the distributor 13.
  • the distributor 13 and the separating plates 17 are preferably also made of plastic.
  • a first peeling disc 33 serves to drain the heavier phase HP of the two phases HP and LP from the drum 3.
  • a peeling disc shaft or a central drain pipe 34 penetrates the second axial boundary wall 7 (see Fig. 1 and Fig. 2).
  • the drum 3 has at least two cylindrical sections 18, 19 of different diameters.
  • One or more conical transition areas can be formed adjacent to these on the drum 3.
  • the drum 3 can also be designed as a single or double cone in its central axial area (not shown here).
  • the drum 3 can have a lower cylindrical section 20 of smaller diameter, on/in which the rotor unit 5b of the lower magnetic bearing is also formed, which merges into a conical region 20a, then here, for example, a cylindrical region 19 of larger diameter, then again a conical region 18a and then an upper cylindrical section 18 of smaller diameter, on which the rotor unit 4b of the upper magnetic bearing 4 is formed.
  • the separator inserts of Fig. 1 and 2 differ.
  • Openings (which can be provided on the drum 3 distributed around the circumference, whereby several openings can thus be provided on the drum 3) serve according to Fig. 1 as radial or tangential outlets 21 of the light phase LP from the drum 3.
  • An opening in the outer casing of the housing then enables the outlet or serves as an outflow 10 of the lighter product phase LP formed during the centrifugal separation, which has been discharged from the drum 3, according to the embodiment of Fig. 1.
  • 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. They are also designed as so-called “free” outlets from the drum 3.
  • the first outlets 21 serve to drain the lighter phase LP.
  • the outlets can be designed so that the light phase exits radially or, alternatively, can be designed so that the light phase exits tangentially against the direction of rotation of the drum and thus contributes to driving the rotor and reducing the drive energy.
  • This phase exiting the drum 3 is collected in the housing 1 in an upper collecting ring chamber 23 of the housing 1.
  • This collecting ring chamber 23 is designed such that the phase collected in it is directed to the outlet 10 of the collecting ring chamber 23.
  • the outlet 10 located at the lowest point of the collecting ring chamber 23.
  • the collecting ring chamber 23 is open radially inwards towards the rotating drum 3 and is designed at a distance such that liquid spraying out of the respective outlet 21 is sprayed during the centrifugal separation essentially only into the associated collecting ring chamber 23 - located at the same axial level.
  • a chamber 25 that is not used to drain a phase can optionally be formed below the collecting ring chamber 23, a chamber 25 that is not used to drain a phase can optionally be formed.
  • This chamber 25 can optionally have a leakage drain (not shown here). The leakage can drain freely. However, it can also be sucked out by negative pressure if the chamber 25 has a negative pressure connection for connecting a device that generates negative pressure.
  • the first collecting ring chamber 23 and the chamber 25 can be separated from each other by a first, here conical wall 26, which extends conically inwards and upwards from the outer shell of the housing 1 and ends radially in front of the drum 3 at a distance from the latter.
  • the product phase LP is drained from the housing 1 through the outlet 10.
  • Nozzles can be installed in the area
  • the drain 10 must be provided on the outside of the housing 1 in order to easily connect cables, hoses, etc.
  • the nozzles are preferably also made of plastic.
  • the housing 1 can be composed of several plastic parts which are sealed together, for example by adhesive or welding.
  • the first peeling disk 33 is provided as the (here second) outlet for the heavier phase HP from the drum (through the housing 1), which extends essentially radially and merges into an axially running drain pipe 34 as a peeling disk shaft that penetrates the lower axial boundary wall 7 of the housing 1.
  • the peeling disk 33 has an outer diameter ru.
  • the inlet openings 33a of the peeling disk 33 are therefore located on a larger diameter or radius ru than the outlets 21 for the light phase LP on the radius ro. This makes it possible to use the peeling disk 33 to drain a heavier phase HP relative to the lighter phase LP from the drum 3.
  • the peeling disk 33 stands still when the separator is in operation and its outer edge is immersed in the heavier phase HP rotating in the drum 3.
  • the HP phase is drained inwards through the channels in the paring disc 33.
  • the paring disc 33 thus serves to drain the HP phase in the manner of a centripetal pump.
  • the peeling disc 33 can be arranged in a simple and compact manner in the drum 3 below the distributor 14 and below the plate pack 17.
  • the radius ru corresponds to the immersion depth of the peeling disc 33.
  • the discharge pipe 34 is led out of the housing 1 with one end downwards out of the drum and through the lower boundary wall 7, but does not touch the drum 3.
  • the discharge pipe 34 can be formed as one piece with the housing 1 or 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 axially within the housing 1 into the paring disk 33.
  • a controllable, in particular electrically controllable, control valve 36 is inserted into the outlet for the heavy phase HP, in particular into the discharge line 35 for the heavier phase HP.
  • the control valve 36 can be used to throttle the volume flow of the heavy phase HP in the discharge line 35 and to increase the immersion depth of the associated peeling disk.
  • 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.
  • the light phase LP is also discharged via a peeling disk.
  • a peeling disc 22 is provided in the upper region of the drum 3, the inlet openings 22a of which can in turn be located on a smaller radius ro than the radius ru of the inlet of the first - lower - peeling disc 33 for the heavier phase.
  • the shaft of this peeling disc 22 can surround the inlet pipe 8 in the manner of a ring channel like an external drain pipe 24 and can be tightly connected to the housing 1 instead of the inlet pipe 8 or can be formed as 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 drum according to Fig. 2. They are also led out of the housing 1 at opposite ends. They can be inserted into the housing 1 in a sealed manner. However, they can also be made as one piece with the housing from plastic.
  • the inlet pipe 12 can be connected to the upper end of the peeling disc shaft 24. A radial or tangential connection piece 24a can lead out of the peeling disc shaft 24.
  • a drain line 40 for draining the light phase can be connected to this, which can open into a product collection container, e.g. into a bag or tank or the like. Accordingly, the ends of the pipes 12 and 34 can also be designed as nozzles for connecting hoses or the like (Fig. 2, but also Fig. 1 ).
  • controllable, in particular electrically controllable, control valve 39 is also inserted into the discharge line 40 for the light phase LP.
  • the control valve 39 can be used to change the volume flow of the light phase LP, in particular to throttle it more or less, and thus to adjust the immersion depth of the second peeling disc 22.
  • 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 disc 22, 33 is a cylindrical and essentially radially aligned disc with several channels, for example one to six, which is stationary during operation and has channels so that a type of centripetal pump is formed.
  • the respective paring disc 22 or 33 dips with its outer edge into the phase LP or HP rotating in the separator.
  • the respective phase LP, HP is diverted inwards through the channels in the paring disc and the rotation speed of the respective phase LP, HP is converted into pressure.
  • the respective paring disc 22, 33 thus replaces a drain pump for the respective phase LP, HP.
  • the paring discs thus each work as a centripetal pump. They can be made of plastic.
  • a third peeling disc could also be provided, which could be used to remove another phase.
  • the respective separator is prepared with its 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 prepared and mounted on the frame I. To do this, the stator units 4a and 5a only 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. This ensures that the housing is securely held in place against rotation.
  • hoses are connected to the nozzles that lead into containers or bags.
  • the respective separator insert in Figs. 1 and 2 can therefore preferably also have at least hoses and nozzles that can be connected to other lines (not shown here) and containers such as bags, tanks, pumps and the like.
  • the lighter phase LP flows radially inwards in the drum 3 in the separation chamber and rises upwards through a channel 38 on a shaft of the distributor. There, the phase LP leaves the drum according to Fig. 1 and 2 at a radius ro.
  • the separation process can be influenced in a simple manner using the control valve(s) 36, 39. This results in an optimization of the separation process.
  • the main application of the separator operation method is cell separation 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 are also conceivable: chemicals, pharmaceuticals, dairy technology, renewable raw materials, oil and gas, beverage technology, mineral oil, etc.
  • the separators shown enable the production of a separator insert in which all components that come into contact with the product can preferably be made of plastic or other non-magnetic materials that can be disposed of after a single use or recycled. Cleaning after use is therefore not necessary.
  • the separator and its operation can therefore be implemented cost-effectively.
  • Fig. 8 shows a modification of the separator insert II of Figs. 1-7 in a second embodiment, wherein identical features are provided with analogous reference numerals.
  • the special feature of this second embodiment is that the form-locking means 41 a and the corresponding form-locking means 41 b provided on the frame I are only provided on one side between the frame I and the separator insert II, thus also enabling axial and rotational locking of the separator insert II relative to the frame I. This reduces the complexity of the structure, among other things.
  • the use of the modular centrifugal separator with replaceable separating insert shown in Fig. 1 -8 ensures a sterile interior, ie a sterile flow path within the centrifugal separator.
  • separators with a product inlet and outlet system consisting of a separator insert, inlet system and outlet system
  • other interchangeable components can also be used to provide a sterile flow path for the inlet suspension and the separated light and heavy phases.
  • the optional drainage system as part of the product outlet system is also designed accordingly.
  • the pump for the feed suspension, the hose line for the feed, the hose lines for the light phase and the heavy phase and the receiving container for the heavy phase can be replaceable sterile components that are suitably used to separate a single product batch or a limited number of product batches.
  • the hose line for the drainage liquid as well as the container for the drainage liquid can also be replaceable sterile components. All of these components are connected to one another with sterile connectors to enable easy and at the same time sterile changing of the components.
  • the product feed system, the product discharge system and the drainage discharge system of the separator are explained in more detail below using Fig. 9:
  • a single-use pump 101 can be used in the inlet, preferably in the form of a centrifugal pump. This has the advantage that it is smaller than comparable hose pumps with the same throughput.
  • the pump pumps a certain volume depending on its speed and the existing back pressure.
  • the flow meter 102 which is also arranged in the feed line between pump 101 and separator insert II, preferably works with a contactless measuring principle, e.g. ultrasonic transit time difference method. It can therefore simply be pushed over the feed line without coming into contact with the product.
  • a contactless measuring principle e.g. ultrasonic transit time difference method. It can therefore simply be pushed over the feed line without coming into contact with the product.
  • the measuring signal from the flow meter is used to regulate the speed of the inlet pump.
  • a controller can Adjust the speed of the feed pump so that the preselected setpoint for the feed volume matches the measured actual value.
  • the pump and flow meter are arranged in the rising feed line so that the line is always filled with liquid, which results in a more stable measured value of the flow meter 102.
  • a pump 110 and a flow meter 111 are arranged in the discharge line for the heavy phase.
  • the pump and flow meter are arranged in the rising discharge line so that the line is always filled with liquid, which results in a more stable measurement value of the flow meter 111.
  • a flow meter 115 can also be arranged in the light phase, e.g. downstream of the pump 107.
  • the drain pump 110 is preferably designed as a hose pump.
  • One of the advantages of a hose pump is that it only comes into contact with the outside of the drain hose and is not in direct contact with the product.
  • the drain hose is a single-use product.
  • Another advantage of the hose pump is that it delivers a defined volume depending on the speed. Unlike the centrifugal pump, it can be used as a throttle, i.e. it can generate a pressure in the discharge of the heavy phase, the level of which can be regulated by the control system. Accordingly, the necessary pressure sensors can be provided in individual or preferably all hose lines (not shown in the picture).
  • a container 105 is provided in the discharge line of the light phase, which serves as a buffer container.
  • the filling level of the light phase currently in the buffer container is determined by means of a filling level measuring device 104 and passed on to the control system.
  • the filling level can also simply be monitored by a limit switch, although in this case the possibilities for pump control are reduced.
  • the introduction of the light phase from the separator insert II into the container 105 can take place in the upper part of the container 105 (above the liquid level that is being established) or in the lower part of the container (below the liquid level that is being established). For products that are to be foamed the upper inlet has proven to be effective.
  • the outlet of the container 105 is connected to a descending drain hose, which is guided through an optical sensor 106 and a pump 107.
  • the speed of the pump 107 is optimally controlled using the measurement signal from the fill level measuring device 104 so that the container 105 is never completely full and never completely empty. This can also be achieved, for example, by arranging two limit switches to monitor the minimum and maximum levels. In this way, the drain hose is always full, which results in a stable signal from the optical sensor 106.
  • the signal from the optical sensor 106 is used to assess the quality of the light phase. The proportion of remaining turbidity and suspended matter can be assessed, for example.
  • the pump 107 can be designed as either a centrifugal pump or a hose pump.
  • the volume of the container 105 should be selected so that the residence time of the light phase in the container is long enough for bubbles to separate from the liquid.
  • the delivery volume of the pump 107 can be adjusted so that a filling level is maintained approximately in the middle of the container 105. This can also be made possible alternatively by one or more limit switches 400 (see Fig. 9b).
  • Such limit switches can be, for example, capacitive sensors arranged on the outer wall of the container 105. These often offer the possibility of detecting and masking out drops on the container wall.
  • the falling drain hose line connected to the outlet of the heavy phase of the separator insert II leads into another container 109, which is provided with a fill level measuring device 108.
  • a fill level measuring device 108 can be used as an alternative. Both variants are preferably non-invasive. This allows the fill level of the heavy phase in the container 109 to be determined and regulated in the same way as for the light phase.
  • the separator insert II has an optional drainage system DS, whereby the drainage liquid is collected in a drainage container 114. Drainage liquid is essentially produced when the drum comes to a standstill at the end of the batch processing and drains via this drain. All hose lines of Fig. 9 for supply and discharge lines in and out of the separation system then each lead into a sterile coupling 112. Not shown in Fig. 9 is the frame for holding the separator insert and the drive.
  • the product inlet system PZS shown in Fig. 9 the product outlet system PAS comprising the product outlets of the heavy and light phases and an optional drainage system DS associated with the PAS are separated from each other outside the separator insert and are therefore hermetic.
  • a fill level measuring device 108 or 104 is shown as an example in Fig. 9a.
  • An ultrasonic sensor element 300 is arranged below the bottom area of the container 105/109, e.g. a tank, a bottle or a bag. It sends out a signal which is reflected at the liquid boundary and received again by the ultrasonic sensor element 300.
  • the fill level can be determined directly from the travel time of the signal.
  • FIG. 9b An arrangement of two limit switches 400, which are placed on the side of the container, is shown in Fig. 9b as an alternative variant to Fig. 9a.
  • the limit switches detect an upper and a lower filling level. Exceeding the upper filling level is evaluated by the evaluation unit 500 and starts the respective pump 107/110. When the lower filling level is undershot, the respective pump is stopped again. In this way, the filling level of the container is kept between the lower and the upper filling level.
  • a single fill level can be detected and the respective pump switched on when this level is exceeded and switched off when it falls below it.
  • three or more limit switches 400 can be used, which detect at least one lower S1, one middle S2 and one upper S3 filling level in the container. To control the filling level for the container, these three filling level signals are combined with the measured values M1 of the flow meter 102 in the inlet and M2 of the flow meter 115 in the outlet of the light phase.
  • the setpoint for the pump must be calculated again according to formula a) and the correction value must be increased for a while and then reduced again.
  • the evaluation in Fig. 9a and 9b is carried out by an evaluation unit 500, which evaluates the measurement signals and thereby determines the fill level or monitors the reaching of a limit level.
  • the control of the pumps can also be initiated by this evaluation unit.
  • the measuring principle of the limit switch 400 can, for example, be based on a capacitance measurement, whereby the change in the capacitance measurement value is decisive for the evaluation.
  • Fig. 9a and 9b also have a pressure sensor 113 for determining a position pressure, which can also be used to determine the filling level, since there is a correlation between the height of the liquid column in the container and the pressure generated thereby.
  • the evaluation of this pressure measurement is also carried out with an evaluation unit, which controls the corresponding pump 107/110, for example.
  • Fig. 10 shows a modification of the first variant of the separator insert II of Fig. 1-8 for connection to the drainage system of Fig. 9.
  • the separator insert II also has a drainage outlet line 120. This is arranged in the base area 121 of the separator insert and has a liquid outlet 122 and 123 from both the drum and the housing. The rest can be identical in construction to previous variants.
  • Fig. 11 shows a second variant of a separator insert III, which can be operated as part of a separation process.
  • This Separator insert III has a bottom-side inlet via the inlet line 61 and the distributor 70 into the plate pack 67.
  • the product inlet line 61 comprises an inlet nozzle 73, which extends from the bottom of the housing 68 into the interior of the rotor 65 and opens into a distributor space 78 of a holding device 77 of the plate pack 67.
  • the holding device 77 can have a longitudinal axis that is designed parallel to the axis of rotation of the rotor 65.
  • One or more distributor channels 70 lead off from the distributor space 78, which allow the supplied starting product to be passed on radially into a separation zone of the rotor 65.
  • the product discharge 62 of the light phase is analogous to Fig. 1 -10.
  • the product discharge 63 of the heavy phase is carried out by drainage via channels in a separating plate 69, here as a closed-walled separating plate at the end of the plate package, and finally through a gripper 64 into a discharge through the product line of the product discharge 63.
  • the heavy phase and the light phase are separated at the separating plate, with the heavy phase being directed outwards around the plate and the light phase being directed and discharged inside the plate.
  • this is only one of many possible variants of a product discharge of the heavy phase.
  • the separator insert III can be designed in such a way that the rotor 65, in particular the drum 66 and the plate pack 67, can be removed from the housing 68.
  • the inlet line 61 be replaced when the separator insert III is replaced, in order to avoid exposing a subsequent batch to cross-contamination.
  • the inlet line can be attached to the housing in a replaceable and medium-tight manner using seals (not shown), e.g. sealing sleeves.
  • Fig. 11 can be modified in many ways, but shows in particular that the method can also be applied to a separator in which only the rotor with its product inlet and outlet lines is designed as a replaceable separator unit III.
  • the housing 68 can be opened - not shown - for example by forming a part of the housing as a cover. For this purpose, at least the upper receptacle must preferably be removed from the cover.
  • the residual liquid is drained via the drainage discharge line 120 into a collecting container 74 via a line element 71 connected thereto, in particular a drainage element in the form of a hose attached or plugged on.
  • the inlet line 61 in particular the inlet nozzle 73, is connected to a supply line element 72, which is connected to a container 75 with the suspension of the starting product.
  • a switching valve (not shown) can be arranged in this line element, which switches between two containers 75, e.g. to supply a demulsifier to improve the suspension.
  • the valve can be closed and the line elements can be exchanged with the containers.
  • the supply element can have a pump, e.g. a peristaltic pump, in which only the supply element comes into contact with the starting product.
  • a pump e.g. a peristaltic pump
  • Fig. 12 shows a further variant of a separator insert II, which can be operated as part of the aforementioned separation process.
  • This separator insert II has at least one connection piece 76 on its housing 1. Through this connection piece, the separator insert can be filled with an inert gas before the product to be separated enters the separator insert. In this way, the product to be separated is prevented from coming into contact with air or oxygen.
  • a second connection piece 76 can be provided on the housing 1, which is intended to discharge gases from the separator insert, so that the separator insert can be flushed with inert gas.
  • the separator insert can also be filled with sterile air and blanketed with this connection piece. The blanketing with sterile air or inert gas can be controlled using the control unit 37.
  • connection piece 76 the gas can also be sucked out of the otherwise hermetically sealed separator insert in such a way that a negative pressure is created in the separator insert, which not only reduces the contact with the remaining oxygen, but also reduces the frictional power of the rotating drum 66, which now rotates in an atmosphere of lower density.
  • a compressed gas e.g. compressed air
  • the gas connections 76 can also be introduced via one or more of the gas connections 76, which additionally facilitates the emptying of the housing via the drainage line.
  • the foam formation occurs, among other things, because the different phases relax when they exit the drum of the separator insert.
  • "Relax” in this context means that the pressure under which the liquid inside the drum 3 is reduced when the liquid leaves the drum 3. This pressure reduction promotes the formation of bubbles or foaming of the escaping liquid phases.
  • the housing 1 can be supplied with sterile air A or an inert gas by means of a suitable device - for example from a pressurized tank, downstream of which is a controllable throttle or the like, and/or via a pump (indicated by an arrow in front of the connection nozzle) - and can be pressurized by this supply.
  • a suitable device for example from a pressurized tank, downstream of which is a controllable throttle or the like, and/or via a pump (indicated by an arrow in front of the connection nozzle) - and can be pressurized by this supply.
  • the sterile air or an inert gas can be forced through a sterile filter (not shown) into the drainage container 114 in order to put it under pressure. Since the drainage container is in pressure and fluid connection with the housing 1 of the separator insert and also the container 105 for the light phase, the pressure in this container 105 is also increased and outgassing is reduced or prevented. Analogously, the sterile air or an inert gas can be forced through a sterile filter (not shown) into the container 105 for the light phase in order to put it under pressure. Since the container for the light phase is in pressure and fluid connection with the housing 1 of the separator insert and also the drainage container 114, the pressure in this container 114 is also increased.
  • a value between 10 and 300 mbar has proven to be a suitable overlay pressure.
  • the flow rate of the sterile air or inert gas is selected between 0.1 and 10 l/min depending on the tendency to form foam. This flow rate can be fed into the containers or bags continuously or it can be the average value of a pulsed introduction, whereby the appropriate pulse-pause ratio for the respective foam can be determined by testing.
  • a foam-reducing agent can be injected into the housing 1 through the connection piece 76 (see Fig. 12) on the separator insert. Since the housing is in pressure and fluid connection with the bags or containers 105 and 114 of the light phase and the drainage, the foam-reducing agent also reaches these containers and reduces the foam formation there.
  • the foam-reducing agent can also be injected directly into the bags or containers 105, 109 and/or 114 in a further embodiment in order to reduce or prevent the formation of foam therein.
  • stator units 4a, 5a are stator stator units 4a, 5a

Landscapes

  • Centrifugal Separators (AREA)

Abstract

Trennanlage (200) zum Trennen einer Suspension mit einem Zentrifugalseparator (100) in wenigstens zwei fließfähige Phasen, wobei der Zentrifugalseparator (100) ein Gestell (I) und ein im Betrieb nicht drehbares Gehäuse (1) aufweist, und einen Separatoreinsatz (II, III), der als eine vormontierte, wechselbare Einheit ausgebildet ist, wobei der Separatoreinsatz (II, III) zumindest Folgendes aufweist: a) einen um eine Drehachse (D) drehbaren Rotor (2, 65) mit einer Trommel (3, 66) mit einer Trommelwandung; b) vorzugsweise ein in der Trommel (3, 66) angeordnetes Trennmittel; zumindest eine Produktzulaufleitung (8) und zumindest eine Produktablaufleitungen (10, 34); c) wobei die produktberührenden Bereiche des Separatoreinsatzes (II, III), teilweise oder vollständig aus Kunststoff gefertigt sind; wobei das Gehäuse (1) und/oder einer oder mehrere weitere Behälter (105, 109, 114) mittels einer dazu geeigneten Einrichtung direkt oder indirekt mit Sterilluft A oder einem Inertgas beaufschlagbar und durch diese Beaufschlagung unter einen Überlagerungsdruck setzbar ist/sind und/oder dass das Gehäuse mit der Einrichtung unter einen Unterdruck setzbar ist.

Description

Trennanlage zum Trennen einer Suspension
Die Erfindung betrifft eine Trennanlage zum Trennen einer Suspension mit einem Zentrifugalseparator, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Zentrifugalseparatoren, insbesondere Tellerseparatoren, im Sinne dieser Schrift dienen zur Trennung einer fließfähigen Suspension als Ausgangsprodukt im Zentrifugalfeld in Phasen verschiedener Dichte. Bei verschiedensten Anwendungen ist eine Sterilität der produktberührenden Teile der eingesetzten Separatoren erforderlich.
Zum technologischen Hintergrund sei noch die WO 2020/173545 A1 genannt.
Die Hauptanwendung der vorliegenden Erfindung liegt im Bereich der Zentrifugalseparatoren, insbesondere Tellerseparatoren, mit sogenannten austauschbaren Separatoreinsätzen, wie sie sich im Single-Use Bereich anbieten. Hier sollten bei besonders sensiblen Anwendungen wie Biotech-Anwendungen aber auch bei Pharma- oder Medizinanwendungen alle produktberührenden Elemente nach deren einmaliger Verwendung entsorgt werden, um Kreuzkontaminationen zu vermeiden.
Vorteilhaft ist, in einer Trennanlage den Füllstand in einem Behälter, z.B. einem Kunststoffbeutel oder Kunststoffcontainer, welcher sich im Ablauf der leichten und/oder schweren Phase befindet auf einem definierten Füllniveau zu halten, so dass dieser weder leerläuft noch überläuft.
Hierfür sind ein geeignetes Meßsystem und ein Ablaufsystem so zu wählen, dass es den Ablauf einzelner Produktphasen, evtl, mit Hilfe einer Steuerung, derart steuert, dass auch bei schwankendem Zulauf in den Behälter, das Flüssigkeitsniveau im diesem konstant gehalten werden kann.
In der EP 3 885 050 A wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Trennung einer Suspension in mehrere Produktströme offenbart. Dabei erfolgt in einer an sich in der mechanischen Trenntechnik bekannten Weise, siehe u.a. auch WO 2012/125480 A1 und DE 34 30 264 A1 , die Ermittlung einer Masse mittels einer Waage eines aus der Trennvorrichtung abgeleiteten Produktstromes in einen Behälter.
Eine genaue Konstanthaltung des Flüssigkeitsniveaus in dem Behälter ist ausgehend von einer Massebestimmung mittels Waage nur möglich, wenn die Dichte der abgetrennten Phase bekannt ist. Allerdings kann die Dichte der abgetrennten Phase schwanken. Beispielsweise kann diese Luftbläschen oder Lufteinschlüsse aufweisen und sogar eine Schaumphase bilden. Mit veränderlicher Dichte schwankt auch die Berechnung des Füllstandes in einem solchen Behälter. Die Eignung eines Wägesystems für eine Füllstandsregelung ist daher begrenzt.
Vor diesem Hintergrund ist es sinnvoll, eine Trennanlage mit einem Behälter bereitzustellen, in welchem ein Flüssigkeitsniveaus mediumsunabhängig, also auch bei Medien mit schwankender Dichte, auf einem definierten Wert gehalten werden kann, so dass der Behälter z.B. nicht überfüllt wird. Optional wird der Füllstand dabei ermittelt.
Allerdings hat die Praxis gezeigt, dass trotz der Möglichkeit des Erkennens und Ausblendens von Tropfen an der Behälterwand, eine präzise Bestimmung des Füllstands nicht immer gewährleistet werden kann, wenn sich Schaum im Beutel bzw. in einem Behälter für die entsprechende ablaufenden Phase befindet. Je nach Dichte des Schaums wird dieser entweder als Flüssigkeitsphase oder Gasphase erkannt. Somit ist es erstrebenswert, eine Schaumbildung im Separatoreinsatz bzw. in den verschiedenen Behältern, die mit den Abläufen des Separatoreinsatzes verbunden sind, möglichst zu unterbinden. Diese Behälter befinden sich in den Abläufen der leichten Phase, und/oder der schweren Phase und/oder der Drainage.
Die Lösung dieses Problems ist die Aufgabe der Erfindung.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Trennanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 .Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Eine erfindungsgemäße Trennanlage dient zum Trennen einer Suspension mit einem Zentrifugalseparator als Teil der besagten Trennanlage.
Der Zentrifugalseparator weist ein Gestell und ein Gehäuse auf.
Weiterhin weist der Zentrifugalseparator einen Separatoreinsatz auf, der als eine vormontierte, wechselbare Einheit zum Anordnen in oder an dem Gestell ausgebildet ist.
Der Separatoreinsatz weist ein im Betrieb stillstehendes Gehäuse und einen in oder an dem Gehäuse anbringbaren, um eine Drehachse drehbaren Rotor mit einer Trommel mit einer Trommelwandung auf.
Innerhalb der Trommel wird die besagte Suspension im Zentrifugalfeld in eine leichte und eine schwere Phase getrennt und diese getrennt abgeführt. Es ist auch möglich, dass eine Phase, insbesondere die schwere Phase, in der Trommel verbleibt und lediglich die leichte Phase abgeführt wird.
Sodann weist der Separatoreinsatz vorzugsweise ein in der Trommel angeordnetes Trennmittel auf. Ein solches Trennmittel kann beispielsweise Tellerstapelpaket sein, welches vorzugsweise konische Trennteller aufweist. Dieses dient zur Erhöhung der Klärfläche.
Und der Separatoreinsatz weist zumindest eine Produktzulaufleitung und zumindest eine Produktablaufleitung auf.
Der Separator kann vorteilhaft auch mehrere Produktzulaufleitungen und mehrere Produktablaufleitungen aufweisen. So kann eine Feststoffphase über eine gesonderte Produktablaufleitung als Teil des Separatoreinsatzes abgeleitet werden. Dabei sind sämtliche Produktzulaufleitungen aus der Trommel ein Teil des Zulaufsystems und sämtliche Produktablaufleitungen aus der Trommel ein Teil eines Ablaufsystems.
Der gesamte Separatoreinsatz mit seinem Zu- und Ablaufsystem ist vorteilhaft in abgedichteter Bauart gegenüber dem Gestell oder gegenüber dem Gehäuse ausgebildet. Gehört das Gehäuse zum wechselbaren Separatoreinsatz, ist es vorzugsweise mit in abgedichteter Bauart gegenüber dem Gestellt ausgebildet. Gehört das Gehäuse nicht zum wechselbaren Separatoreinsatz, ist es so ausgelegt, dass der Rotor in das Gehäuse einsetzbar ist. Dann kann das Gehäuse verschließbar und dann gegenüber seiner Umgebung abgedichtet sein.
Dies ist besonders bevorzugt für austauschbare single-use Anwendungen. Dabei kann das Zulaufsystem mehrere Produktzulaufleitungen aufweisen und das Ablaufsystem kann mehrere Produktablaufleitungen aufweisen. Eine gesonderte Produktzulaufleitung kann z.B. zur Zuführung von Flockungsmittel oder dergl. in die Suspension aufweisen. Auch andere Substanzen, z.B. Mittel zur Haltbarkeitsmachung während des Verarbeitungsprozesses, wie z.B. Ascorbinsäure ggf. als verdünnte Lösung, können über eine gesonderte Produktzulaufleitung zugeleitet werden.
Sodann sind nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die produktberührenden Bereiche des Separatoreinsatzes teilweise oder vollständig aus Kunststoff gefertigt.
Aus Gründen des besseren Recyclings empfiehlt es sich bzw. ist bevorzugt, wenn alle produktberührenden Bauteile des Separatoreinsatzes auf Kunststoff bestehen. Verbundwerkstoffe z.B. Metall-Kunststoff-Verbunde hingegen sind schwieriger zu entsorgen.
Nach dem Kennzeichen des Anspruchs 1 ist sodann vorgesehen, dass das Gehäuse und/oder einer oder mehrere weitere Behälter mittels einer dazu geeigneten Einrichtung direkt oder indirekt mit Sterilluft A oder einem Inertgas beaufschlagbar und durch diese Beaufschlagung unter einen Überlagerungsdruck setzbar ist/sind und/oder dass das Gehäuse das Gehäuse mit der Einrichtung unter einen Unterdrück setzbar ist. Die Begriffe Überdruck und Unterdrück beziehen sich auf die Umgebung des Gehäuses.
Dabei kann nach einer Variante vorgesehen sein, dass das Gehäuse als ein Teil des wechselbaren und teilweise oder vollständig aus Kunststoff gefertigten Separatoreinsatzes ausgebildet ist.
Bei einer weiteren Variante kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse als ein Teil des Gestells und nicht als Teil des Separatoreinsatzes ausgebildet ist. Dann ist es vorteilhaft, wenn das Gehäuse geöffnet werden kann, um den vormontierten Separatoreinsatz hineinsetzen und herausnehmen zu können.
Nach dem Gegenstand des Anspruchs 1 wird, insbesondere auch nach den Alternativen der Ansprüche 2 und 3, beim Erzeugen eines Überdruckes der Druckabfall der aus der Trommel austretenden Flüssigkeitsphasen reduziert und somit das Ausgasen in dem Gehäuse und/oder dem einen oder den mehreren weiteren Behälter vermindert oder gar verhindert.
Wird hingegen ein Unterdrück erzeugt, kann auch dies bei verschiedenen Trennprozessen auf diesen einen vorteilhaften Einfluss haben, beispielsweise, um es zu kühlen und/oder um den Energieverbrauch zu senken.
Es ist dabei zweckmäßig, wenn die Einrichtung einen unter Druck stehenden Tank, dem ein ansteuerbares Ventil und/oder eine ansteuerbare Drossel oder dgl. nachgeschaltet ist, und/oder eine Pumpe umfasst.
Wenn das Gehäuse in Druck- und Fluidverbindung mit dem oder den weiteren Behältern, z.B. Behältern für die leichte Phase und die Drainage steht, wird bei einer solchen Anordnung auch in diesen Behältern das Ausgasen reduziert oder verhindert
Es kann optional zur Gewährleistung besonders guter steriler Bedingungen vorgesehen sein, dass die Steri I lüft oder das Inertgas durch einen Sterilfilter (nicht dargestellt) in den Drainagebehälter oder den Behältern im Ablauf der leichten oder schweren Phase gedrückt wird, um diesen unter Druck zu setzen. Es ist bevorzugt, dass eine Steuereinheit vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, die Beaufschlagung mit Sterilluft oder einem Intergas zu steuern und/oder zu regeln.
Es hat sich ferner als zweckmäßig herausgestellt, mit der Steuereinheit die Durchflussmenge bei der Druckluft- oder Inertgaszuleitung auf einen Wert zwischen 0,1 und 10 l/min und den Überlagerungsdruck auf einen Wert zwischen 10 mbar und 300 mbar einzustellen. Dabei kann die Sterilluft- oder Inertgaszuleitung kontinuierlich oder gepulst erfolgen.
Nach einer optionalen Ausgestaltung kann ferner alternativ oder ergänzend ein schaumreduzierendes Mittel zumindest in das Gehäuse und/oder den wenigstens einen weiteren Behälter injizierbar sein.
Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Trennanlage zumindest einen Behälter aufweist, welcher mit der zumindest einen Produktablaufleitung verbunden ist. Dieser Behälter weist bevorzugt je eine räumlich voneinander getrennte Zulauf- und Ablauföffnung auf.
Sodann kann die Trennanlage eine Füllniveau-Messvorrichtung zur Ermittlung eines Flüssigkeitsniveaus der Suspension innerhalb des Behälters und/oder zumindest einen oder mehrere Grenzschalter zur Detektion eines erreichten Flüssigkeitsniveaus innerhalb des Behälters aufweisen. Weiterhin kann die Trennanlage eine Steuerung aufweisen, welcher die Füllniveau-Messsignale aufnimmt und auswertet, sowie die notwendigen Signale zur Steuerung einer oder mehrerer Ablaufpumpen und/oder gegebenenfalls erforderlichen Ventilen erzeugt.
Dadurch kann zumindest ein gewisses Füllniveau gehalten und im Fall der Messvorrichtung kontinuierlich oder bei Bedarf auch exakt ermittelt werden. Dies gestaltet sich bei einer Masseermittlung z.B. mittels Waage von auslaufender Flüssigkeit wesentlich umständlicher und beinhaltet mehr Messfehler und/oder Messungenauigkeiten, zumal erst eine Umrechnung der ermittelten Masse in Volumen bzw. Füllstand erfolgen muss.
Es ist von Vorteil, wenn die Füllniveau-Messvorrichtung und/oder der Grenzschalter nicht-invasiv außen am Behälter angeordnet ist, so dass kein direkter Kontakt zum Produkt hergestellt wird. Dadurch können Oberflächenreaktionen an den Messflächen bzw. den Kontaktflächen des Sensorelements und dergleichen vermieden werden. Nicht-invasive Sensoren können auch bei single-use Systemen wiederverwendet werden, da hierbei in der Regel nur produktberührende Komponenten einmal verwendet werden. Beispiele möglicher Prinzipien für solche nicht-invasiven Messungen sind: kapazitive Messung, optische Messung, Messung der Dämpfung von Vibration, Druckmessung, Messung von Formänderungen oder Laufzeitmessung von Ultraschall- oder Radarsignalen.
Der Behälter kann einen Ablauf, z.B. einen Ablaufstutzten, zur kontinuierlichen Ableitung einer Flüssigkeit aufweisen.
Bevorzugt weist die Füllniveau-Messvorrichtung und/oder der Grenzschalter ein Sensorelement zum Aussenden und/oder zum Empfang eines elektromagnetischen Signals, vorzugsweise eines Ultraschallsignals, eines Mikrowellensignals und/oder eines Lichtsignals, auf. Diese Varianten haben sich als nicht-invasive Messmethoden bereits in anderen Anwendungsbereichen bewährt.
Der Zentrifugalseparator kann zudem eine Ableitung der schweren Phase und eine Ableitung einer leichten Phase, vorzugsweise jeweils als Teil des vorgenannten Ablaufsystems, aufweisen, wobei in zumindest einer der Ableitungen eine Pumpe angeordnet ist.
Die Trennanlage kann vorteilhaft eine Vorrichtung zur Einstellung des Füllniveaus in dem Behälter aufweisen. Die Pumpe kann Teil dieser Vorrichtung sein. Gleiches gilt für die Füllniveau-Messvorrichtung und/oder den zumindest einen Grenzschalter. Dabei ist die Pumpe basierend auf den Messsignalen der Füllniveau-Messvorrichtung und/oder des Grenzschalters einstellbar ausgebildet. Dies umfasst u.a. eine Signalverbindung zwischen den Elementen, wahlweise über Kabel oder über eine wireless- Übertragung zur Auswerteinheit und/oder zur Steuerung.
Die Füllniveau-Messvorrichtung kann zur kontinuierlichen Ermittlung des Füllniveaus ausgebildet sein. Dies kann insbesondere durch Signalreflexion und/oder eine sprunghafte Signaländerung an einer Phasengrenzfläche detektiert werden.
Die Füllniveau-Messvorrichtung und/oder der zumindest eine Grenzschalter ist besonders bevorzugt austauschbar am Behälter angeordnet. Dadurch kann die Messvorrichtung auch bei Entsorgung der produktberührenden Bereiche wiederverwendet werden und ist somit kein single-use Bauteil der erfindungsgemäßen Trennanlage.
Die Füllniveau-Messvorrichtung kann insbesondere derart am Behälter, vorzugsweise an dessen Boden, angeordnet sein, dass ein Signal senkrecht zum Flüssigkeitsspiegel einleitbar ist. Sofern dieses am Flüssigkeitsspiegel reflektiert wird, ist nur ein Sensorelement, welches zwischen Sendebetrieb und Empfangsbetrieb umschaltbar ist, notwendig, was den apparativen Aufbau vereinfacht.
Alternativ kann die Trennanlage zur Regelung des Füllstandes in einem definierten Befüllungsbereich in dem Behälter zumindest zwei Grenzschalter zur Detektion eines unteren und eines oberen Füllniveaus aufweisen. Diese können z.B. seitlich von außen auf den Behälter gerichtet sein oder mit dem Behälter in Kontakt sein. Beim Überschreiten des oberen Füllniveaus wird dies von der Steuerung erfasst und ein entsprechendes Signal z.B. an die Ablaufpumpe gesendet. Diese wird dann so lange eingeschaltet, bis das untere Füllniveau wieder unterschritten ist. Auf diese Weise kann das Füllniveau zwischen dem unteren und dem oberen Füllniveau gehalten werden.
Werden zusätzliche weitere Messstellen zwischen dem unteren und dem oberen Füllniveau installiert, kann die Steuerung z.B. zusätzlich ermitteln, mit welcher Geschwindigkeit sich der Beutel füllt oder leert.
Die Vorrichtung zur Einstellung des Ablaufvolumens kann optional einen Drucksensor zur Ermittlung des Lagedrucks der im Behälter befindlichen Flüssigkeit aufweisen, welcher vorzugsweise am Boden des Behälters und/oder an einem Ablauf des Behälters angeordnet ist. Der Drucksensor ermöglicht ebenfalls eine Bestimmung des Füllniveaus, da es eine Korrelation zwischen der Höhe der Flüssigkeitssäule im Behälter und dem hierdurch erzeugten Druck gibt.
Die Füllniveau-Messvorrichtung und/oder der oder die Grenzschalter kann vorteilhaft ein Ultraschall-Sensorelement und eine Auswerteeinheit aufweisen, welche zur Überwachung der Suspensionszusammensetzung unter Abgleich einer ermittelten Schallgeschwindigkeit mit einem mediumsspezifischen Sollwert einer Schallgeschwindigkeit eingerichtet ist. Es ist bekannt, dass die Signalgeschwindigkeit mit der Zusammensetzung im Medium korreliert. Bei einem bekannten Messmedium mit schwankender Zusammensetzung der einzelnen Bestandteile oder bei Schaumbildung oder Lufteinschlüsse kann eine Ermittlung durch Abgleich und ggf. Interpolation von mehreren Ultraschallwerten bei verschiedenen Zusammensetzungen erfolgen. Während somit eine deutliche Signaländerung eine Phasengrenzfläche anzeigt, ermöglicht die genaue Auswertung der Signalgeschwindigkeit eine zumindest Überwachung, ob die jeweilige abgeleitete leichte und/oder schwere Phase eine gleichbleibende Zusammensetzung aufweist oder nicht. Ggf. kann nicht nur eine Überwachung, sondern auch eine Ermittlung der Zusammensetzung bei einfachen Gemischen erfolgen. Insbesondere ist die vorgenannte Auswerteeinheit der zur kontinuierlichen Ermittlung eines Füllniveaus anhand der Laufzeitmethode eingerichtet. Hierfür kann die Auswerteeinheit einen Datenspeicher aufweisen, auf welchem ein entsprechendes Computerprogrammprodukt hinterlegt ist.
Alternativ kann auch eine kapazitive Veränderung durch die Messanordnung detektiert werden. Hierzu wird der Sensor zur Messung der kapazitiven Veränderung von außen mit wenigen Millimetern Abstand zu dem Behälter montiert oder mit dem Behälter in Kontakt gebracht. Wenn der Behälterinhalt die Messstelle bedeckt, verändert sich der Wert der kapazitiven Kopplung, welcher von einer Auswerteeinheit ermittelt wird und gegebenenfalls als Messignal an eine Steuerung weiterleitet. Analog zu der bereits oben beschriebenen Ausführungsvariante können mehrere kapazitive Sensoren verwendet werden, um das Füllstandsniveau in dem Behälter innerhalb eines definierten Niveaus zu halten.
Durch einen Abgleich des Leerzustandes des Behälters kann zunächst ermittelt werden, wie die kapazitiven Behältereigenschaften im ungefüllten Zustand ausgebildet sind.
Ändern sich die kapazitiven Eigenschaften in Folge der Befüllung wird ein Signal ausgegeben. Moderne kapazitive Sensoren ermöglichen ein Ausblenden von an der Behälterwand anhaftenden Tropfen, welche die Anzeige des Befüllungszustandes bei dessen Entleerung pertubieren können. Ein solches Ausblenden von Tropfen ist durch einen Vollabgleich realisierbar. Entsprechende elektronische Bedienkonzepte werden u.a. vom Unternehmen IFM oder anderen Herstellern angeboten.
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zum zentrifugalen Trennen einer Suspension in wenigstens zwei fließfähige Phasen mit einer bereitgestellten Trennanlage, die nach einem der darauf bezogenen Ansprüche ausgebildet ist, mit zumindest folgenden Schritten a) Zuleiten einer bereitgestellten Suspension in die sich drehende Trommel, b) Durchführen der zentrifugalen Trennung der Suspension in der sich drehenden Trommel des Separatoreinsatzes, und c) Ableiten der wenigstens zwei fließfähigen Phasen aus der Trommel, d) wobei während der zentrifugalen Trennung in dem Behälter ein Überdruck oder ein Unterdrück erzeugt wird. 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:
Fig. 1 eine schematische, schnittartige Darstellung eines ersten wechselbaren Separatoreinsatzes eines Separators nebst einer schematischen Darstellung eines Zu- und Ablaufsystems und einer Steuereinrichtung des Separators;
Fig. 2 eine schematische, schnittartige Darstellung eines zweiten wechselbaren Separatoreinsatzes eines Separators nebst einer schematischen Darstellung eines Zu- und Ablaufsystems und einer Steuereinrichtung des Separators;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Zentrifugaseparators mit einem wiederverwendbaren Gestell und einem wechselbaren Separatoreinsatz, letzterer hier nach Art der Fig. 1 , mit daran angeordneten Schlauchabschnitten;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des wechselbaren Separatoreinsatzes aus Fig. 1 und 3 mit daran angeordneten Schlauchabschnitten;
Fig. 5 - 7 drei aufeinander folgende Schritte bei einem Einsetzen des wechselbaren Separatoreinsatzes aus Fig. 4 in das Gestell der Fig. 3;
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer Abwandlung des Separators und des Separatoreinsatzes der Fig. 1 -7 als weiteres Ausführungsbeispiel;
Fig. 9 schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Trennanlage zur Ausführung eines bevorzugten Separationsverfahrens;
Fig. 10 eine perspektivische Ansicht eines Separatoreinsatzes in Abwandlung der Varianten der Fig. 1 -8 mit einer integrierten Drainageablaufleitung; und
Fig. 11 eine weitere Ausführungsvariante mit einem Rotor als Separatoreinsatz und einem Gehäuse als fester nicht-wechselbarer Bestandteil des Separators; Fig. 12 eine weitere Ausführungsvariante eines Separatoreinsatzes, welcher an seinem Gehäuse wenigstens einen Anschlussstutzen zum Zu- oder Ableiten von Gas aufweist.
Figuren 1 -12 zeigt mehrere Zentrifugalseparatoren 100 mit einem mehrfach verwendbaren Gestell I und mit einem wechselbaren Separatoreinsatz II zur zentrifugalen Trennung. Das Separationsverfahren kann dabei insbesondere durch die Ausführungsvarianten der Fig. 10-12 realisiert werden, in welchen eine Drainageablaufleitung 120 vorgesehen ist. Eine erfindungsgemäße Trennanlage 200 wird in Fig. 9 gezeigt.
Der Separatoreinsatz könnte grundsätzlich auch nach Art der Fig. 1 oder Fig. 2 ausgestaltet sein und ggf. noch um eine nicht-dargestellte Drainageablaufleitung ergänzt werden.
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-Verbundwerkstoffen 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.
Nach Fig 1 und 2 weist der Separatoreinsatz II des Separators jeweils ein Gehäuse 1 und den 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 eine drehbare Trommel 3 auf. Der Rotor 2 ist an zwei axial zueinander in Richtung der Drehachse voneinander beabstandeten Orten mit jeweiligen Magnetlagereinrichtungen 4, 5 drehbar gelagert. Vorzugsweise ist der Rotor 2 bzw. es ist dann damit auch die Trommel 3 an den beiden axialen Enden drehbar 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 drehbar gelagerten Rotor 2 bevorzugt im Gehäuse 1 zu diesem beabstandet in der Schwebe.
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 ausgebildet 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 oder an diese heran und ein unteres Ende des Separatoreinsatzes II ragt von oben in die andere Aufnahme I-5 ein oder an diese heran und dabei ist der Separatoreinsatz II an der Konsole 1-1 und damit am Gestell I drehfest gehalten.
Eine oder beide der Aufnahmen I-4 und/oder I-5 kann/können seitlich an dem Gestell I, insbesondere der Konsole 1-1 , angeordnet sein. Es kann dabei nach einer Variante weiter vorgesehen sein, dass z.B. die untere Aufnahme I-5 ortsfest an der Konsole 1-1 ausgebildet ist. Es ist dann vorteilhaft, dass die weitere obere Aufnahme I-4 höhenverstellbar an der Konsole 1-1 ausgebildet ist.
In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Konsole 1-1 eine solche vertikale Erstre- ckung/Länge aufweist, dass der Separatoreinsatz in einer ersten Position der höhenverstellbaren Aufnahme I-4 von beiden höhenverstellbaren Aufnahmen I-4, I-5 ortsfest gehalten ist und in der anderen oberen Position wechselbar ist.
Es ist derart vorteilhaft vorgesehen, 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 neuen austauschen zu können. Realisierbar ist dies beispielsweise mit einer Schiene an der Konsole und einem verschieblichen sowie in einer Schiebeposition arretierbaren Schlitten an der höhenverstellbaren Aufnahme (nicht im Detail dargestellt).
Es ist somit vorgesehen, 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.
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 oder am Gestell I, z.B. in, an oder auf der Konsole 1-1 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.
Nach einer besonders einfachen Variante können dazu das Gehäuse 1 und die Aufnahmen I-4 oder I-5 mit den Statoreinheiten 4a, 5a als die korrespondierenden Formschlussmittel Vorsprünge (z.B. Stifte oder Stege) und Ausnehmungen (z.B. Bohrungen) aufweisen, um das Gehäuse 1 drehfest an den Statoreinheiten und damit am Gestell II zu halten. Die korrespondierenden Formschlussmittel können auch direkt am Gestell II ausgebildet sein.
Die Lage dieser korrespondierenden Formschlussmittel definiert auch die funktional erforderliche Lage der Statoreinheiten 4a, 5a und der Rotoreinheiten 4b, 5b zueinander. Dies betrifft besonders die genaue Zentrierung der jeweils koaxial ineinanderliegenden Einheiten 4a, 5a und 4b, 5b. 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.
Nach Fig. 3 bis 7 werden die vorstehenden Maßnahmen beispielhaft wie folgt umgesetzt.
Die Aufnahmen I-4 und I-5 mit den Statoreinheiten 4a, 5a des Gestells I weisen jeweils in axialer Richtung vorkragend mehrere Stifte 41 a auf, und der jeweilige Separatoreinsatz II kann am Gehäuse 1 dazu korrespondierende, sich beispielsweise in axialer Richtung erstreckende Sacklöcher als Ausnehmungen 42 bzw. 41 b aufweisen.
Dabei weist hier die Aufnahme I-4 mit der Statoreinheit 4a axial bzw. hier vertikal nach unten vorkragende Stifte 41 auf (hier nicht zu erkennen) und der Separatoreinsatz II vertikal oben korrespondierende sacklochartige Ausnehmungen 42 (hier zu erkennen) und die untere Aufnahme I-5 mit der untere Statoreinheit 5a weist entsprechend axial bzw. hier vertikal nach oben vorkragende Stifte 41 a auf (hier zu erkennen) und der Separatoreinsatz II axial unten korrespondierende sacklochartige Ausnehmungen (hier nicht zu erkennen). Rein beispielhaft sind hier jeweils vier Stifte 41 a und Ausnehmungen 41 b auf den Ecken eines gedachten Mehrecks, insbesondere Quadrates verteilt angeordnet und zwar oben und unten jeweils an den Aufnahmen I-4, I-5 und dem Gehäuse 1 des Separatoreinsatz II ausgebildet.
In Fig. 1 -7 sind entsprechende Formschlussmittel 41 a, 41 b und 42 umfangsverteilt um den Separatoreinsatz II angeordnet. Es ist allerdings auch möglich, dass lediglich ein Formschlussmittel anstelle mehrerer Formschlussmittel vorgesehen ist.
Die korrespondierenden Formschlussmittel können aber auch unsymmetrisch angeordnet sein, um sicherzustellen, dass der Separatoreinsatz nur in einer einzigen Orientierung eingesetzt werden kann.
Die Statoreinheiten 4a, 5a können zu dem jeweils Öffnungen, insbesondere Durchgangsöffnungen 43 aufweisen, um nach oben und/oder unten hin Leitungen wie z.B. Schläuche 44, 45 die an den Separatoreinsatz II angeschlossen sind, aufzunehmen.
Eine oder beide Aufnahmen I-4 und I-5 ist/sind vertikal verstellbar ausgebildet. Eine der beiden Aufnahmen I-4 oder I-5 kann insofern auch fix am Gestell I ausgebildet sein. So ist es auch denkbar, dass eine der beiden Aufnahmen I-4 oder I-5 - z.B. die untere - an einer Wand des Gestells I ausgebildet ist und unverstellbar ist. Es genügt dann, das Gestell I so auszubilden, dass die jeweiligen andere Aufnahmen I-4 oder I- 5 verstellbar ist, insbesondere vertikal höhenverstellbar an dem Gestell I angeordnet und/oder ausgebildet ist.
Gut zu erkennen ist dies aus dem Zusammenspiel der Fig. 3 bis 7.
Fig. 5 zeigt das Gestell I vor dem Einsetzen eines Separatoreinsatzes II. Die beiden Statoreinheiten 4a, 5a sind relativ zueinander so weit auseinander bewegt worden, dass der jeweilige Separatoreinsatz axial zwischen die zwei Aufnahmen mit den Statoreinheiten 4a, 5a gehoben werden kann (Fig. 5, 6), wobei dann der Separatoreinsatz II so in/an die untere Aufnahme I-5 gesetzt wird (Fig. 6 und 7), dass die korrespondierenden Formschlussmittel - hier 41 , 42 - ineinandergreifen. Zudem ist der Schlauch 45 am unteren Ende des Gehäuses 1 nach unten hin durch die Durchgangsöffnung 43 der unteren - und somit axial zugehörigen - Statoreinheit 5a geführt worden (Fig. 6). Jetzt wird die obere Aufnahme I-4 abgesenkt, bis auch die korrespondierenden Formschussmittel der oberen Aufnahme I-4 und des Gehäuses 1 des Separatoreinsatzes I - hier 41 , 42 - sicher ineinandergreifen (Fig. 7). Dabei werden obere Schläuche 44 an dem Gehäuse 1 durch die Durchgangsöffnung 43 der oberen Aufnahme I-4 geführt. Jetzt ist der Separatoreinsatz II sicher am Gestell I drehfest gehalten. Daher kann der Schleuder- und Trennvorgang zum Verarbeiten einer Produktcharge im Zentrifugalfeld beginnen. Nach dem Verarbeiten der vorgesehenen Charge wird die obere Separatoreinheit wieder nach oben gehoben, bis die Separatoreinheit aus dem Gestell I herausgehoben und gegen eine neue gewechselt werden kann.
Nachfolgend sei unter Bezug auf Figur 1 und Fig. 2 der weitere Aufbau beispielhafter 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. Die Erfindung ist darauf nicht beschränkt. Insbesondere die Zu- und Ableitungen können auch anders an dem Separatoreinsatz II realisiert werden.
Zunächst 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 Le- vitronix 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 3 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 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 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 Trommel 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 T renntellerstapel 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).
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. Dabei können die Auslasse so gestaltet sein, dass die leichte Phase radial austritt oder aber alternativ auch so ausgeformt sein, dass die leichte Phase tangential gegen die Drehrichtung der Trommel austritt und somit zum Antrieb des Rotors und zur Reduzierung der Antriebsenergie beiträgt. 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 Leckage kann frei ablaufen. Sie kann aber auch durch Unterdrück abgesaugt werden, wenn die Kammer 25 einen Unterdruckanschluss zum Anschluss einer Unterdrück erzeugenden Einrichtung aufweist.
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, Schläuche 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, dass 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 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 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 in einem Produktsammelbehälter 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 stillsteht 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 Behälter 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 derTrommel 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 Verfahrens zum Betrieb des Separators sind Zellabtrennungen in der pharmazeutischen Industrie vorgesehen. Der Leistungsbereich ist gedacht für die Verarbeitung von Brühen aus Fermentern in der Größenordnung von 100 I - 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. 8 zeigt eine Abwandlung des Separatoreinsatzes II der Fig. 1 -7 in einer zweiten Ausführungsvariante, wobei identische Merkmale mit analogen Bezugszeichen versehen sind. Die Besonderheit dieser zweiten Ausführungsvariante ist, dass das oder die Formschlussmittel 41 a und die entsprechenden am Gestell I vorgesehenen Formschlussmittel 41 b lediglich einseitig zwischen dem Gestell I und dem Separatoreinsatz II vorgesehen sind 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. Die Verwendung des in Fig. 1 -8 dargestellten modularen Zentrifugalabscheiders mit austauschbarem Trenneinsatz sorgt für ein steriles Inneres, d. h. einen sterilen Strömungsweg innerhalb des Zentrifugalabscheiders.
Geeigneterweise können in Separatoren mit Produktzu- und -ablaufsystem bestehend aus Separatoreinsatz, Zulaufsystem und Ablaufsystem auch andere austauschbare Komponenten verwendet werden, um einen sterilen Strömungsweg für die Zulaufsuspension und die getrennten leichten und schweren Phasen bereitzustellen. Auch das optionale Drainagesystem als Teil des Produktablaufsystems ist entsprechend ausgebildet.
Rein als Beispiele erwähnt, können die Pumpe für die Zulaufsuspension, die Schlauchleitung für den Zulauf, die Schlauchleitungen für die leichte Phase und die schwere Phase und der Aufnahmebehälter für die schwere Phase austauschbare sterile Komponenten sein, die zur Trennung einer einzelnen Produktcharge oder eine begrenzte Anzahl von Produktchargen geeignet verwendet werden. Auch die Schlauchleitung für die Drainageflüssigkeit, ebenso wie der Behälter für die Drainageflüssigkeit können austauschbare sterile Komponenten sein. Alle diese Komponenten werden mit sterilen Konnektoren miteinander verbunden, um ein einfaches und gleichzeitig steriles Wechseln der Komponenten zu ermöglichen. Das Produktzulaufsystem, das Produktablaufsystem und das Drainageablaufsystem des Separators wird nachfolgend anhand von Fig. 9 näher erläutert:
Im Zulauf kann z.B. eine single-use Pumpe 101 bevorzugt in Form einer Kreiselpumpe verwendet werden. Diese hat den Vorteil, dass sie kleiner baut als vergleichbare Schlauchpumpen bei gleicher Durchsatzleistung. Die Pumpe fördert abhängig von ihrer Drehzahl und dem vorliegenden Gegendruck ein bestimmtes Volumen.
Der ebenfalls in der Zulaufleitung zwischen Pumpe 101 und Separatoreinsatz II angeordnete Durchflussmesser 102 arbeitet vorzugsweise mit einem berührungslosen Meßprinzip, z.B. Ultraschall-Laufzeitdifferenzverfahren. Somit kann er einfach über die Zulaufleitung geschoben werden, ohne in Kontakt mit dem Produkt zu kommen.
Er kann also ständig wiederverwendet werden, während der Zulaufschlauch ein single-use Produkt ist. Das Messignal des Durchflussmessers wird genutzt, um die Drehzahl der Zulaufpumpe zu regeln. Auf diese Weise kann ein Regler die Drehzahl der Zulaufpumpe so einstellen, dass der vorgewählte Sollwert für die Zulaufvolumens mit dem gemessenen Istwert übereinstimmt. Pumpe und Durchflussmesser sind in der ansteigenden Zulaufleitung angeordnet, so dass die Leitung immer mit Flüssigkeit gefüllt ist, wodurch sich ein stabilerer Messwert des Durchflussmessers 102 ergibt.
In der Ablaufleitung für die schwere Phase ist eine Pumpe 110 und ein Durchflussmesser 111 angeordnet. Pumpe und Durchflussmesser sind in der ansteigenden Ablaufleitung angeordnet, so dass die Leitung immer mit Flüssigkeit gefüllt ist, wodurch sich ein stabilerer Messwert des Durchflussmessers 111 ergibt.
Auch im Ablauf der leichten Phase kann ein Durchflussmesser 115 angeordnet sein, z.B. in Flussrichtung hinter der Pumpe 107.
Die Ablaufpumpe 110 ist vorzugsweise als Schlauchpumpe ausgeführt. Der Vorteil eine Schlauchpumpe liegt unter anderem darin, dass sie nur mit der Außenseite des Ablaufschlauches in Kontakt kommt, nicht aber in direktem Kontakt mit dem Produkt steht.
Sie kann also ständig wiederverwendet werden, während der Ablaufschlauch ein single-use Produkt ist. Ein weiterer Vorteil der Schlauchpumpe ist, dass sie drehzahlabhängig ein definiertes Volumen fördert. Anders als die Kreiselpumpe kann sie als Drossel verwendet werden, d.h. einen Druck im Ablauf der schweren Phase erzeugen, dessen Höhe durch die Steuerung geregelt werden kann. Entsprechend hierfür können erforderliche Drucksensoren in einzelnen oder vorzugsweise allen Schlauchleitungen vorgesehen (im Bild nicht dargestellt) sein.
In der Ablaufleitung der leichten Phase ist ein Behälter 105 vorgesehen, der als Pufferbehälter dient. Mittels einer Füllniveau-Messvorrichtung 104 wird das Füllniveau, der sich momentan im Pufferbehälter befindlichen leichten Phase ermittelt und an die Steuerung weitergegeben. Alternativ kann auch lediglich eine Füllniveau-Überwachung durch einen Grenzschalter erfolgen, wobei in diesem Fall die Möglichkeiten der Pumpensteuerung verringert ist.
Das Einleiten der leichten Phase aus dem Separatoreinsatz II in den Behälter 105 kann im oberen Teil des Behälters 105 erfolgen (oberhalb des sich einstellenden Flüssigkeitsspiegels) oder im unteren Teil des Behälters (unterhalb des sich einstellenden Flüssigkeitsspiegels). Für Produkte, die zum Schäumen neigen, hat sich die obere Einleitung bewährt. Der Auslass des Behälters 105 ist mit einem abfallenden Ablaufschlauch verbunden, welcher durch einen optischen Sensor 106 und eine Pumpe 107 geführt wird.
Die Drehzahl der Pumpe 107 wird mit Hilfe des Messsignals der Füllniveau-Messvorrichtung 104 optimalerweise so geregelt, dass der Behälter 105 nie ganz voll ist und nie ganz leer ist. Dies kann z. B. auch durch eine Anordnung zweier Grenzschalter zur Überwachung des Minimal- und des Maximalniveaus erreicht werden. Auf diese Weise ist der Ablaufschlauch immer gefüllt, woraus ein stabiles Signal des optischen Sensors 106 resultiert. Das Signal des optischen Sensors 106 dient der Beurteilung der Qualität der leichten Phase. Hierbei kann z.B. der Anteil der verbliebenen Trub- und Schwebstoffe beurteilt werden. Die Pumpe 107 kann sowohl als Kreiselpumpe oder als Schlauchpumpe ausgeführt werden. Das Volumen des Behälters 105 ist so zu wählen, dass die Verweilzeit der leichten Phase in dem Behälter ausreichend lang ist, dass sich Bläschen aus der Flüssigkeit abscheiden können. Mit Hilfe des Messwertes oder der Messsignale aus der Füllniveau-Messvorrichtung 104 kann das Fördervolumen der Pumpe 107 so eingestellt werden, dass ein Füllniveau etwa in der Mitte des Behälters 105 gehalten wird. Auch dies kann alternativ durch einen oder mehrere Grenzschalter 400 (siehe Fig. 9b) ermöglicht werden.
Solche Grenzwertschalter können z.B. kapazitive Sensoren sein, die an der Außenwand des Behälters 105 angeordnet sind. Diese bieten häufig die Möglichkeit des Erkennens und Ausblendens von Tropfen an der Behälterwand.
Die am Ablauf der schweren Phase des Separatoreinsatzes II angeschlossene abfallende Ablaufschlauchleitung führt in einen weiteren Behälter 109, welcher mit einer Füllniveau-Messvorrichtung 108 versehen ist. Auch hier können alternativ ein oder mehrere Grenzschalter eingesetzt werden. Beide Varianten sind bevorzugt in nicht-invasiver Ausführung. Hiermit kann das Füllniveau der schweren Phase in dem Behälter 109 ermittelt und in gleicher Weise wie bei der leichten Phase geregelt werden.
Überdies weist der Separatoreinsatz II ein optionales Drainageablaufsystem DS auf, wobei die Drainageflüssigkeit in einem Drainagebehälter 114 gesammelt wird. Drainageflüssigkeit fällt im Wesentlichen an, wenn am Ende der Batchverarbeitung die Trommel zum Stillstand kommt und über diesen Ablauf leerläuft. Sämtliche Schlauchleitungen der Fig. 9 für Zu- und Ableitungen in und aus der Trennanlage münden sodann jeweils in eine Sterilkupplung 112. Nicht-dargestellt in Fig. 9 ist das Gestell zur Halterung des Separatoreinsatzes sowie der Antrieb.
Das in Fig. 9 dargestellte Produktzulaufsystem PZS, Produktablaufsystem PAS umfassend die Produktabläufe der schweren und der leichten Phase und ein zum PAS zugehöriges optionales Drainagesystem DS sind außerhalb des Separatoreinsatzes voneinander getrennt und somit hermetisch.
Eine Füllniveau-Messvorrichtung 108 oder 104 ist als Beispiel in Fig. 9a dargestellt. Dabei wird ein Ultraschall-Sensorelement 300unterhalb des Bodenbereichs des Behälters 105/109, z.B. einem Tank, einer Flasche oder einem Beutel, angeordnet. Es sendet ein Signal aus, welches an der Flüssigkeitsgrenze reflektiert wird und vom Ultraschall-Sensorelement 300 wieder empfangen wird. Aus der Laufzeit des Signals kann die Füllstandshöhe direkt ermittelt werden.
Eine Anordnung aus zwei Grenzschaltern 400, welche seitlich am Behälter platziert sind, ist als alternative Variante zur Fig. 9a in Fig. 9b dargestellt. Die Grenzschalter detektieren ein oberes und ein unteres Füllniveau. Das Überschreiten des oberen Füllniveaus wird von der Auswerteinheit 500 ausgewertet und startet die jeweilige Pumpe 107/110. Beim Unterschreiten des unteren Füllniveaus wird die jeweilige Pumpe wieder gestoppt. Auf diese Weise wird der Füllstand des Behälters zwischen dem unteren und dem oberen Füllniveau gehalten.
Alternativ kann ein einzelnes Füllstandsniveau detektiert werden und die jeweilige Pumpe bei Überschreiten dieses Niveaus eingeschaltet und bei Unterschreiten ausgeschaltet werden. Hierbei kann es sinnvoll sein eine gewisse Mindestlaufzeit für die Pumpe vorzusehen, oder den Sollwert für die Pumpe mit einer Hysterese zu beaufschlagen.
In einer weiteren Ausführungsvariante können aber auch drei oder mehr Grenzschalter 400 verwendet werden, welche mindestens ein unteres S1 , einen mittleres S2 und ein oberes S3 Füllstandsniveau im Behälter detektieren. Zur Füllstandsregelung für den Behälter werden diese drei Füllstandssignale mit den Messwerten M1 des Durchflussmessers 102 im Zulauf und M2 des Durchfussmessers 115 im Ablauf der leichten Phase kombiniert.
Wird das Niveau S1 im Behälter überschritten, startet die Pumpe 107 im Ablauf der leichten Phase. Der Sollwert für die Pumpe errechnet sich: a) Sollwert = M1 - M2 - Korrekturwert
Wird das Niveau S2 im Behälter überschritten, errechnet sich ab dann der Sollwert für die Pumpe: b) Sollwert = M1 - M2
Steigt das Niveau weiter und erreicht S3, muss der Sollwert für die Pumpe wieder nach Formel a) berechnet werden und der Korrekturwert für eine Weile vergrößert werden, um danach wieder reduziert zu werden.
Nach einer Weile hat ein solches selbstlernendes System einen stabilen Zustand erreicht, so dass sich auch das Füllstandsniveau im Behälter auf einen konstanten Wert einpendelt.
Die Auswertung in Fig. 9a und 9b erfolgt durch eine Auswerteeinheit 500, welche die Messignale auswertet und dadurch den Füllstand ermittelt oder das Erreichen eines Grenzstands überwacht. Auch die Ansteuerung der Pumpen kann durch diese Auswerteinheit initiiert werden.
Das Messprinzip der Grenzschalter 400 kann z.B. auf einer Kapazitätsmessung beruhen, wobei bei der Auswertung die Veränderung des Kapazitätsmesswertes ausschlaggebend ist.
Fig. 9a und 9b weisen überdies einen Drucksensor 113 zur Ermittlung eines Lagedrucks auf, womit ebenfalls eine Bestimmung des Füllniveaus erfolgen kann, da es eine Korrelation zwischen der Höhe der Flüssigkeitssäule im Behälter und dem hierdurch erzeugten Druck gibt. Die Auswertung dieses Druckmesswertes erfolgt ebenfalls mit einer Auswerteinheit, welche den z.B. die entsprechende Pumpe 107/110 ansteuert.
Fig. 10 zeigt eine Modifikation der ersten Variante des Separatoreinsatzes II der Fig. 1 -8 zum Anschluss an das Drainagesystem der Fig. 9. Dabei weist der Separatoreinsatz II zusätzlich zu einer üblichen Produktzulaufleitung 124 und einer Produktablaufleitung 125 auch eine Drainageablaufleitung 120 auf. Dieser ist im Bodenbereich 121 des Separatoreinsatzes angeordnet und weist einen Flüssigkeitsablauf 122 und 123 sowohl aus der Trommel als auch aus dem Gehäuse auf. Der weitere Rest kann baugleich zu vorherigen Ausführungsvananten sein.
Fig. 11 zeigt eine zweite Variante eines Separatoreinsatzes III, welcher im Rahmen eines Separationsverfahrens betrieben werden kann. Dieser Separatoreinsatz III weist einen bodenseitigen Zulauf über die Zulaufleitung 61 und den Verteiler 70 in das Tellerpaket 67 auf. Die Produktzulaufleitung 61 umfasst einen Zulaufstutzen 73, welcher sich vom Boden des Gehäuses 68 in den Innenraum des Rotors 65 erstreckt und in einem Verteilerraum 78 einer Haltevorrichtung 77 des Tellerpakets 67 mündet. Die Haltevorrichtung 77 kann eine Längsachse aufweisen, die parallel zur Rotationsachse des Rotors 65 ausgebildet ist. Von dem Verteilerraum 78 geht/gehen ein oder mehrere Verteilerkanäle 70 ab, welche eine radiale Weiterleitung des zugeführten Ausgangsproduktes in eine Separationszone des Rotors 65 erlauben.
Der Produktablauf 62 der leichten Phase erfolgt analog zu Fig. 1 -10. Der Produktablauf 63 der schweren Phase erfolgt durch Ableitung über Kanäle in einem Scheideteller 69, hier als geschlossenwandiger Trennteller am Ende des Tellerpakets, und schließlich durch einen Greifer 64 in eine Abführung durch die Produktleitung des Produktablaufs 63. Am Scheideteller erfolgt eine Trennung zwischen schwerer Phase und leichter Phase, wobei die schwere Phase nach außen um den Teller herumgeleitet wird und die leichte Phase innen am Teller geleitet und abgeführt wird. Dies ist allerdings nur eine von vielen möglichen Varianten eines Produktablaufs der schweren Phase.
Der Separatoreinsatz III kann so ausgestaltet werden, dass der Rotor 65, insbesondere die Trommel 66 und das Tellerpaket 67, dem Gehäuse 68 entnommen werden kann. Dabei empfiehlt sich auch bei dieser Variante ein vorheriges Entleeren des Rotors, insbesondere der Trommel, von Restflüssigkeit vor der Entnahme des Rotors im Rahmen des vorliegenden Verfahrens. Dies kann in diesem Fall über die Zulaufleitung 61 erfolgen.
Sodann empfiehlt es sich die Zulaufleitung 61 mit dem Austausch des Separatoreinsatzes III ebenfalls zu wechseln, um eine Folgecharge nicht einer Kreuzkontamination auszusetzen. Entsprechend kann die Zulaufleitung über nicht-dar- gestellte Dichtungen, z.B. Dichtungsmuffen, wechselbar und mediumsdicht an dem Gehäuse festgelegt werden.
Die Fig. 11 kann vielfältig abgewandelt werden, zeigt allerdings insbesondere, dass das Verfahren auch auf einen Separator angewandt werden kann, in welchem lediglich der Rotor mit seinen Produktzu- und Produktablaufleitungen als auswechselbare Separatoreinheit III ausgebildet ist. Das Gehäuse 68 kann dabei - nicht dargestellt - geöffnet werden, beispielsweise indem ein Teil des Gehäuses als Deckel ausgebildet sein. Hierfür ist vorzugsweise zumindest die obere Aufnahme vom Deckel zu entfernen.
In Fig. 11 wird über die Drainageablaufleitung 120 die Restflüssigkeit über einen daran angeschlossenes Leitungselement 71 , insbesondere ein Ableitungselement in Form eines auf- oder angesteckten Schlauchs in einen Sammelbehälter 74 abgeleitet. Die Zulaufleitung wird 61 , insbesondere der Zulaufstutzen 73, ist an ein Zuleitungselement 72 angeschlossen, welche mit einem Behälter 75 mit der Suspension des Ausgangsproduktes verbunden ist. Dabei kann ein nicht-dargestelltes Umschaltventil in diesem Leitungselement angeordnet sein, welches zwischen zwei Behältern 75 wechselt, z.B. um einen Demulgator zur Verbesserung der Suspension zuzuführen. Alternativ kann das Ventil geschlossen und die Leitungselemente mit den Behältern ausgetauscht werden.
Darüber hinaus kann das Zuleitungselement eine Pumpe, z.B. eine Schlauchquetschpumpe, aufweisen, bei der nur das Zuleitungselement mit dem Ausgangsprodukt in Berührung kommt.
Fig. 12 zeigt eine weitere Variante eines Separatoreinsatzes II, welcher im Rahmen eines vorgenannten Separationsverfahrens betrieben werden kann. Dieser Separatoreinsatz II weist an seinem Gehäuse 1 wenigstens einen Anschlussstutzen 76 auf. Durch diesen Anschlussstutzen kann der Separatoreinsatz mit einem Inertgas gefüllt werden, bevor das zu trennende Produkt in den Separatoreinsatz gelangt. Auf diese Weise wird verhindert, dass das zu trennende Produkt mit Luft, bzw. Sauerstoff in Kontakt kommt. Es kann ein zweiter Anschlussstutzen 76 am Gehäuse 1 vorgesehen sein, welcher zur Ableitung von Gasen aus dem Separatoreinsatz vorgesehen ist, so dass ein Spülen des Separatoreinsatzes mit Inertgas möglich wird. Ebenfalls kann durch diesen Anschlussstutzen der Separatoreinsatz mit Sterilluft gefüllt und überlagert werden. Gesteuert werden kann das Überlagern mit Sterilluft oder Inertgas mit der Steuerungseinheit 37.
Durch den Anschlussstutzen 76 kann das Gas aus dem ansonsten hermetisch verschlossenen Separatoreinsatz auch in der Weise abgesaugt werden, dass ein Unterdrück im Separatoreinsatz entsteht, wodurch nicht nur der Kontakt mit dem restlichen Sauerstoff reduziert wird, sondern auch die Reibleistung der rotierenden Trommel 66 reduziert wird, welche nun in einer Atmosphäre geringerer Dichte rotiert. Alternativ kann auch neben einem Schutzgas auch ein Druckgas, z.B. Druckluft, über einen oder mehrere der Gasanschlüsse 76 eingeleitet werden, welches die Entleerung des Gehäuses über die Drainageleitung zusätzlich begünstigt.
Das Einleiten eines Gases hat auch noch weitere Vorteile. Denn die Praxis hat gezeigt, dass trotz der Möglichkeit des Erkennens und Ausblendens von Tropfen, eine präzise Bestimmung des Füllstands nicht immer gewährleistet werden kann, wenn sich Schaum im Beutel bzw. im Behälter 105 befindet. Je nach Dichte des Schaums wird dieser entweder als Flüssigkeitsphase oder Gasphase erkannt. Somit ist es erstrebenswert, eine Schaumbildung im Separatoreinsatz bzw. in den verschiedenen Behältern, die mit den Abläufen des Separatoreinsatzes verbunden sind, möglichst zu unterbinden. Diese Behälter befinden sich in den Abläufen der leichten Phase, der schweren Phase und der Drainage.
Die Schaumbildung entsteht unter anderem dadurch, dass sich die verschiedenen Phasen entspannen, wenn sie aus der Trommel des Separatoreinsatz austreten. „Entspannen“ in diesem Zusammenhang bedeutet, dass sich der Druck, unter dem die Flüssigkeit innerhalb der Trommel 3 steht, reduziert, wenn die Flüssigkeit die Trommel 3 verlässt. Diese Druckreduzierung begünstigt die Blasenbildung bzw. das Schäumen der austretenden flüssigen Phasen.
Um dieser Schaumbildung entgegenzuwirken, können folgende Maßnahmen umgesetzt werden:
Durch einen oder mehrere Anschlüsse, insbesondere durch einen oder mehrere Anschlussstutzen 76, (siehe Fig. 12) am Gehäuse 1 des Separatoreinsatzes kann das Gehäuse 1 mittels einer dazu geeigneten Einrichtung - beispielsweise aus einem unter Drucks stehenden Tank, dem eine ansteuerbare Drossel oder dgl. nachgeschaltet ist, und/oder über eine Pumpe (angedeutet durch Pfeil vor den Anschlusstutzen) - mit Sterilluft A oder einem Inertgas beaufschlagt und durch diese Beaufschlagung unter Druck gesetzt werden.
Hierdurch wird der Druckabfall der aus der Trommel 3 austretenden Flüssigkeitsphasen reduziert und somit das Ausgasen vermindert oder gar verhindert. Da das Gehäuse 1 in Druck- und Fluidverbindung mit den Behältern 105 und 114 der leichten Phase und der Drainage steht, wird bei einer solchen Anordnung auch in diesen Behältern das Ausgasen reduziert oder verhindert (siehe 105, 114 in Fig. 9, dort sind die Anschlussstutzen 76 nicht dargestellt).
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Steri I lüft oder ein Inertgas durch einen Sterilfilter (nicht dargestellt) in den Drainagebehälter 114 gedrückt werden, um diesen unter Druck zu setzen. Da der Drainagebehälter in Druck- und Fluidverbindung mit dem Gehäuse 1 des Separatoreinsatzes und auch dem Behälter 105 der leichten Phase steht, wird auch in diesem Behältern 105 der Druck erhöht und das Ausgasen reduziert oder verhindert. Analog kann die Sterilluft oder ein Inertgas durch einen Sterilfilter (nicht dargestellt) in den Behälter 105 für die leichte Phase gedrückt werden, um diesen unter Druck zu setzen. Da der Behälter für die leichte Phase in Druck- und Fluidverbindung mit dem Gehäuse 1 des Separatoreinsatzes und auch dem Drainagebehälter 114 steht, wird auch in diesem Behältern 114 der Druck erhöht
Als Überlagerungsdruck hat sich ein Wert zwischen 10 und 300 mbar bewährt. Die Durchflussmenge der Sterilluft bzw. des Inertgases wird je nach Schaumbildungsneigung zwischen 0,1 und 10 l/min gewählt. Dabei kann diese Durchflussmenge kontinuierlich in die Behälter oder Beutel geleitet werden oder sie ergibt sich als Mittelwert einer gepulsten Einleitung, wobei das geeignete Puls-Pausenverhältnis für den jeweiligen Schaum durch Versuche ermittelt werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung kann ein schaumreduzierendes Mittel durch den Anschlussstutzen 76 (siehe Fig. 12) am Separatoreinsatz in das Gehäuse 1 injiziert werden. Da das Gehäuse in Druck- und Fluidverbindung mit den Beuteln bzw. Behältern 105 und 114 der leichten Phase und der Drainage steht, gelangt das schaumreduzierende Mittel auch in diese Behälter und reduziert dort die Schaumbildung.
Bei Bedarf kann das schaumreduzierende Mittel in einer weiteren Ausgestaltung auch direkt in die Beutel bzw. Behälter 105, 109 und/oder 114 injiziert werden, um in diesen die Schaumbildung zu reduzieren oder zu verhindern. 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
Produktzulaufleitung 8
Produktablaufleitung (leichte Phase) 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
Produktablaufleitung (schwere Phase) 34 Ableitung 35
Regelventil 36
Steuereinrichtung 37
Kanal 38
Regelventil 39
Ableitung 40
Stifte 41a
Ausnehmungen 41 b
Ausnehmungen 42
Durchgangsöffnung 43
Schläuche 44, 45
Zentrifugalseparator 100
Pumpe 101
Durchflussmesser 102
Füllniveau-Messvorrichtung 104
Behälter 105
Optischer Sensor 106
Pumpe 107
Füllniveau-Messvorrichtung 108
Behälter 109
Pumpe 110
Durchflussmesser 111
Sterilkupplung 112
Drucksensor 113
Drainagebehälter 114
Durchflussmesser 115
Drainageablaufleitung 120
Bodenbereich 121
Flüssigkeitsablauf 122
Flüssigkeitsablauf 123
Trennanlage 200
Sensorelement 300
Grenzschalter 400 Auswerteeinheit 500
Separatoreinsatz III
Zulaufleitung 61
Produktablauf (leichte Phase 62
Produktablauf (schwere Phase) 63
Greifer 64
Rotor 65
Trommel 66
Tellerpaket 67
Gehäuse 68
Scheideteller 69
Verteiler 70
Leitungselement 71
Zuleitungselement 72
Zulaufstutzen 73
Sammelbehälter 74
Behälter 75
Anschlussstutzen 76
Haltevorrichtung 77
Verteilerraum 78
Drehachse D
Suspension S Phasen LP, HP Radien ro, ru
PAS Produktablaufsystem
PZS Produktzulaufsystem
DS Drainagesystem
A Durckluft

Claims

Ansprüche
1 . Trennanlage (200) zum Trennen einer Suspension mit einem Zentrifugalseparator (100) in wenigstens zwei fließfähige Phasen, wobei der Zentrifugalseparator (100) ein Gestell (I) und ein im Betrieb nicht drehbares Gehäuse (1 ) aufweist, und einen Separatoreinsatz (II, III), der als eine vormontierte, wechselbare Einheit ausgebildet ist, wobei der Separatoreinsatz (II, III) zumindest Folgendes aufweist: a) einen um eine Drehachse (D) drehbaren Rotor (2, 65) mit einer Trommel (3, 66) mit einer Trommelwandung; b) vorzugsweise ein in derTrommel (3, 66) angeordnetes Trennmittel; zumindest eine Produktzulaufleitung (8) und zumindest eine Produktablaufleitungen (10, 34); c) wobei die produktberührenden Bereiche des Separatoreinsatzes (II, III), teilweise oder vollständig aus Kunststoff gefertigt sind; dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) und/oder einer oder mehrere weitere Behälter (105, 109, 114) mittels einer dazu geeigneten Einrichtung direkt oder indirekt mit Sterilluft A oder einem Inertgas beaufschlagbar und durch diese Beaufschlagung unter einen Überlagerungsdruck setzbar ist/sind und/oder dass das Gehäuse mit der Einrichtung unter einen Unterdrück setzbar ist.
2. Trennanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) als ein Teil des wechselbaren und teilweise oder vollständig aus Kunststoff gefertigten Separatoreinsatzes (II, III) ausgebildet ist.
3. Trennanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) als ein Teil des Gestells ausgebildet ist.
4. Trennanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung einen unter Druck stehenden Tank, dem ein ansteuerbares Ventil und/oder eine ansteuerbare Drossel oder dgl. nachgeschaltet ist, und/oder eine Pumpe umfasst.
5. Trennanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1 ) in einer Druck- und Fluidverbindung mit dem einen oder den mehreren weiteren Behältern steht.
6. Trennanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Behälter einen Behälter (105) zur Aufnahme einer leichten Phase und/oder einen Drainagebehälter (114) umfasst.
7. Trennanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sterilfilter vorgesehen ist, durch welchen die Sterilluft oder das Inertgas zuleitbar ist.
8. Trennanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (37) vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, die Beaufschlagung mit Sterilluft oder einem Intergas zu steuern und/oder zu regeln.
9. Trennanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (37) dazu ausgelegt ist, die Durchflussmenge bei der Druckluft- oder Inertgaszuleitung auf einen Wert zwischen 0,1 und 10 l/min einzustellen, und/oder die dazu ausgelegt ist, die Druckluft oder Inertgaszuleitung kontinuierlich oder gepulst durchzuführen.
10. Trennanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ergänzend oder alternativ ein schaumreduzierendes Mittel zumindest in das Gehäuse (1 ) und/oder den wenigstens einen weiteren Behälter injizierbar ist.
11 . Trennanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überlagerungsdruck auf einen Wert zwischen 10 mbar und 300 mbar einstellbar ist.
12. Trennanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Behälter (105, 109) mit zumindest einer Produktablaufleitung (10, 34) verbunden ist.
13. Trennanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung (200) eine Füllniveau-Messvorrichtung (104, 108) zur Ermittlung eines Flüssigkeitsniveaus der Suspension innerhalb des Behälters (105, 109) und/oder zumindest einen Grenzschalter (400) zur Detektion eines erreichten Flüssigkeitsniveaus innerhalb des Behälters (105, 109) aufweist.
14. Trennanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllniveau-Messvorrichtung (104, 108) und/oder der Grenzschalter (400) ein Sensorelement zur Erfassung einer kapazitiven Veränderung, insbesondere einen kapazitiven Sensor, aufweist.
15. Trennanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrifugalseparator (100) eine Ableitung der schweren Phase (HP) und eine Ableitung einer leichten Phase (LP) aufweist, wobei in zumindest einer der Ableitungen eine Pumpe (107, 110) angeordnet ist.
16. Trennanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Produktzulaufleitungen Teil eines Zulaufsystems (PZS) und dass sämtliche Produktablaufleitungen Teil eines Ablaufsystems (PAS) sind und dass der gesamte Separatoreinsatz (II, III) mit seinem Zu- und Ablaufsystem in abgedichteter Bauart ausgebildet ist.
17. Trennanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse zur (1 ) Aufnahme der Trommel (3, 66) ausgelegt ist und dass das Gehäuse (1 ) druckdicht verschließbar ist.
18. Verfahren zum zentrifugalen Trennen einer Suspension in wenigstens zwei fließfähige Phasen mit einer Trennanlage (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit folgenden Schritten a) Zuleiten der Suspension in die sich drehende Trommel (3, 66), b) Durchführen der zentrifugalen Trennung der Suspension in die wenigstens zwei fließfähigen Phasen in der sich drehenden Trommel (3, 66) des Separatoreinsatzes, und c) Ableiten der wenigstens zwei fließfähigen Phasen aus der Trommel (3, 66), dadurch gekennzeichnet, dass d) während der zentrifugalen Trennung in dem Gehäuse (1 ) ein Überdruck oder ein Unterdrück erzeugt wird.
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