Membranpumpe

Abstract

 Bei einer Membranpumpe (4), die insbesondere als Dosier­pumpe für den Einsatz in Anlagen der biologischen Ver­fahrenstechnik vorgesehen ist und die mit wenigstens je einem selbstschließenden Einlaß- (22) und Auslaßventil (21) ver­sehen ist, sind zum Zweck der Durchführung einer voll­ständigen in-situ Sterilisation der produktberührten Bereiche der Pumpe zusätzliche Leitungswege vorgesehen, die nach Art eines Bypasses eine Umgehung der Ventile ermöglichen. Diese zusätzlichen Leitungswege sind über Ventilspindeln (32-35) absperrbar und stehen jeweils mit einem die Ein- bzw. Auslaßventile umgebenden Ringräumen in Verbindung.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe, insbesondere für Anlagen der biologischen Verfahrenstechnik, Le­bensmitteltechnik und Medizintechnik gemäss dem Ober­begriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Bei Anlagen der biologischen Verfahrenstechnik, die auch als Bioreaktoren bezeichnet werden, sind häufig Vorrichtungen zur Einspeisung flüssiger Substanzen, wie Korrekturmittel, in den Reaktionsbehälter vorgesehen Die Dosierung des einzuspeisenden Korrekturmittels er­folgt dabei in den meisten Fällen entweder über Schlauchpumpen oder aber über fremdgesteuerter Membran­ventile in Verbindung mit einem druckbeaufschlagten Vorlagenbehälter. Beide Anordnungen lassen sich, was eine der wichtigsten Voraussetzungen für die erfolg­reiche Durchführung biologischer Verfahren ist, mit Hilfe gängiger Methoden hinreichend gut sterilisieren Die Sterilisation erfolgt dabei in der Regel mittels Heißdampf, der in die zu sterilisierenden Bereiche einer solchen Anlage eingeleitet wird. Ein derartiger Sterilisationsvorgang mittels Heißdampf ist, allerdings im Zusammenhang mit einer als Dosierpumpe für Milch und Milchprodukte dienenden Kolbenpumpe mit zwangsgesteuerten Ein- und Auslaßventilen, in der DE-AS 28 14 086 beschrieben. Ein Reinigungsmedium bzw. der Heißdampf wird bei dieser bekannten Vorrichtung an­stelle der Milch in der Förderrichtung durch die zu reinigenden Anlagenkomponenten geleitet.

[0003] Als nachteilig hat sich bei den zuvor beschriebenen dosierbaren Zuführeinrichtungen für Korrekturmittel ihre vergleichsweise geringe Fördergenauigkeit er­wiesen, die sich zugleich auch negativ auf die Durch­ führung der biologischen Prozesse auswirkt und die nur durch eine vergleichsweise aufwendige, zusätzlich durchgeführte Volumenstrommessung kompensiert werden kann.

[0004] Aus diesem Grund ist bereits der Einsatz von Membran­dosierpumpen zu diesem Zweck vorgeschlagen worden. Der Einsatz dieses Pumpentyps für biotechnologische Pro­zesse blieb bisher jedoch weitgehend auf den Labormaß­stab beschränkt, wobei der mit dem Reaktionsprodukt des Prozesses in Verbindung stehende Pumpenkopf der Mem­branpumpe üblicherweise in einem Autoklaven separat sterilisiert wird.

[0005] Bei stationär betrieben Anlagen erfolgt die Sterili­sation der Verbindungsleitung zwischen dem Reaktions­behälter und dem der Dosiereinrichtung nachgeschalteten Vorlagenbehälter für das Korrekturmittel in der Regel in der Weise, daß der Dampf am obersten Punkt der Lei­tung, in der Nähe des Reaktionsbehälters, in die Ver­bindungsleitung eingespeist wird und diese dann entgegen der Förderrichtung des Korrekturmittels dem natürlichen Gefälle folgend durchströmt, wobei das entstehende Kondensat am tiefsten Punkt der Anordnung ausgetragen wird. Da jedoch bei Membranpumpen der gattungsgemässen Art aufgrund selbstschließender Einlaß- und Auslaßventile die Förderrichtung vorgegeben ist, würde bei Verwendung einer solchen Pumpe der Konden­satabfluß während des Sterilisationvorgangs blockiert und eine erfolgreiche Sterilisation der Anordnung un­möglich werden. Zwar ist aus der US-PS 38 02 807 eine Membranpumpe gemäß dem Gattungsbegriff des Patentan­spruchs 1 bekannt geworden, die eine zusätzliche Bypassleitung aufweist, welche bei Bedarf oder periodisch zur Spülung der Pumpe über ein separates Ventil beaufschlagt werden kann und bei der ferner eine zusätzliche Ablaßschraube zur Entleerung des Pumpen­raumes vorgesehen ist, jedoch ermöglicht auch diese Anordnung keine Heißdampfsterilisation entsprechend der vorstehend beschriebenen Vorgehensweise, bei der das Reinigungsmedium die Dosierpumpe entgegen der Förderrichtung erfolgt.

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Membranpumpe der gattungsgemäßen Art so auszubilden, daß sie durch einen Sterilisationsprozeß vollständig sterilisierbar ist, bei dem der für diesen Vorgang verwendete Heiß­dampf die Pumpe entgegen der für das zu dosierende Me­dium vorgesehenen Förderrichtung durchströmt.

[0007] Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Membran­pumpe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan­spruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung im Hinblick auf einen möglichst einfachen Aufbau sowie auf eine möglichst weitgehende Vereinfachung des Sterilisationsvorgangs sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

[0008] Im folgenden soll die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Fließschema einer in-situ Sterili­sation einer Verbindungsleitung für einen Reaktionsbehälter,

Fig. 2 und 3 je einen Vertikalschnitt durch eine Membranpumpe in zwei verschiedenen Betriebsstellungen,

Fig. 4 einen Schnitt durch einen Teilbereich einer zweiten Membranpumpe und

Fig. 5 einen Schnitt durch einen Teilbereich einer dritten Membranpumpe.

[0009] In den Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

[0010] Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung zeigt einen Reak­tionsbehälter 1 zur Durchführung biotechnologischer Verfahren, dem über eine Verbindungsleitung 2 ein in einem Vorlagehälter 3 befindliches flüssiges Korrek­turmittel zugesetzt werden kann.

[0011] Förderung und Dosierung des Korrekturmittels erfolgen dabei über eine Membranpumpe 4. Zur Sterilisation der Verbindungsleitung 3 sowie der Membranpumpe 4 ist in der Nähe des Reaktionsbehälter 1 ein Einspeisepunkt für Heißdampf vorgesehen. Dieser durchströmt im Zuge der Sterilisation die Verbindungsleitung 2 in einer Rich­tung, die entgegengesetzt zur Förderrichtung des Kor­rekturmittels - durch ausgezogene Pfeile angedeutet verläuft und die in der Figur durch gestrichelte Pfeile gekennzeichnet ist. Das entstehende Kondensat gelangt über eine weitere Verzweigung der Verbindungsleitung 2 in einen Auf fangbehälter 5. Die Förderung des Korrek­turmittels sowie die Einspeisung und Weiterleitung des Dampfes werden dabei über insgesamt vier Ventile 6 bis 9 gesteuert, die in den unterschiedlichen Zweigen der Verbindungsleitung angeordnet sind und von denen sich jeweils zwei im geöffneten und zwei in geschlossenem Zustand befinden.

[0012] Die Darstellung in Fig. 2 zeigt die Membranpumpe 4 in vertikal geschnittener Darstellung in einem Betriebs­zustand, wie er für die Durchführung des Sterilisa­tionsvorganges vorgesehen ist. Die Membranpumpe 4 be­steht aus einem Pumpenkopf 10 sowie einem Antriebsge­häuse 11, zwischen denen eine Membran 12 angeordnet ist. Letztere kann pneumatisch, hydraulisch oder aber auch mechanisch betätigbar sein. In die obere und untere Stirnfläche des symmetrisch zu einer Mittelebene aufgebauten Pumpenkopfes 10 sind jeweils zylindrische Ausnehmungen 13 und 14 eingebracht, die durch ebenfalls zylindrische, mit einem Flansch ver­sehene Einsätze 15 und 16 verschließbar sind. Die Ein­sätze 15 bzw. 16 sind mit zentrischen Durchgangsboh­rungen 17 bzw. 18 versehene, die auf der Außenseite der Einsätze 15 bzw. 16 über Rohrverbindungselemente 19 bzw. 20 mit der Verbindungsleitung 2 gekoppelt sind und die auf der Innenseite der Einsätze 15 bzw. 16 jeweils in ein dort angeordnetes selbstsperrendes bzw. selbst­schließendes Auslaßventil 21 bzw. Einlaßventil 22 münden. Die Ventile 21 und 22 sind dabei so angeordnet, das ihre Öffnungsrichtung mit der in der Figur durch ausgezogen dargestellte Pfeile angedeuteten Strömungs­richtung des Korrekturmittels übereinstimmt.

[0013] Vom Einlaßventil 22 sowie vom Auslaßventil 21 führt jeweils ein in der Figur horizontal verlaufender Förderkanal 23 bzw. 24 in eine Verdrängerkammer 25, die sich zwischen der Membran 12 und dem Pumpenkopf 10 be­findet. Von einem Bereich erweiterten Durchmessers der Förderkanäle 23 und 24 führt ferner eine senkrecht zum Förderkanal 23 bzw. 24 verlaufende Bohrung 26 bzw. 27 in den Ein- bzw. Auslaßbereich der beiden Ventile 21 und 22, während sich von einem im Durchmesser nochmals erweiterten Bereich der Förderkanäle 23 und 24 jeweils eine zweite Bohrung 28 bzw. 29, die parallel zur ersten Bohrung verläuft, unmittelbar in dem von den Ausneh­mungen 13 bzw. 14 und dem zugehörigen Einsatz 15 bzw. 16 gebildeten Ringraum erstreckt. Von diesem Ringraum führt jeweils eine weitere Bohrung 30 bzw. 31 in die Durchgangsbohrung 17 bzw. 18.

[0014] Die Bohrungen 28 und 30 bzw. 29 und 31 bilden auf diese Weise zusammen mit den jeweils zugehörigen erweiterten Bereichen der Förderkanäle 23 und 24 Bypass-Leitungen für das Auslaßventil 21 bzw. das Einlaßventil 22. Diese Bypass-Leitungen sind, nach dem Prinzip des Eckventils, über Ventilspindeln 32 bis 35 absperrbar, die jeweils in Verlängerung der Förderkanäle 23 und 24 sowie in Höhe der Bohrungen 30 und 31 angeordnet sind und die in der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Anordnung als Kolbensitzventile ausgebildet sind. Der vordere Teil der Ventilspindeln 32 bis 35 weist einen Bereich ver­minderten Durchmessers auf, wodurch bei geöffneten Ventilspindeln zwischen diesem Bereich der Spindel und der zugehörigen Bohrung jeweils ein Ringraum entsteht. Der Hub der Ventilspindeln 32 bis 35 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Bügel 36 begrenzt.

[0015] Die Abdichtung der Einsätze 15 und 16 erfolgt über außendichtende O-Ringe 37 und 38, unterhalb derer die Einsätze zur Bildung der bereits erwähnten Ringräume, in die die Bohrungen 30 bzw. 31 münden, im Durchmesser vermindert sind. Die Fixierung der Einsätze 15 und 16 erfolgt über Paßbolzen 39 und 40, die Befestigung am Pumpenkopf 10 über Schraubenbolzen 41 und 42.

[0016] Während der Durchführung des biologischen Verfahrens, beispielsweise eines Fermentationsprozesses, nehmen die Ventilspindeln 32 bis 35 die in der Figur 3 darge­stellte geschlossene Stellung ein und sperren somit die Bypass-Leitungen ab. Das flüssige Korrekturmittel wird mittels der druckbeaufschlagten Membran 12 über das Einlaßventil 22, den Förderkanal 24, die Verdränger­kammer 25, den Förderkanal 23 sowie das Auslaßventil aus dem Vorlagebehälter 3 in den Reaktionsbehälter 1 gefördert.

[0017] Für die Durchführung der Sterilisation der produktbe­rührten Bereiche der Pumpe werden die Ventilspindeln 32 bis 35 geöffnet, so das der über die Verbindungsleitung 2 ankommende Heißdampf über die Bohrung 30 in den das Auslaßventil 21 umgebenden Ringraum strömt und dadurch das Ventil beheizt. Letzeres ist deshalb wichtig, weil sich etwaig in diesem Ventil bildendes Kondensat auf­grund der Schließrichtung des Ventils nicht abströmen kann. Ober die Bohrung 28 gelangt der Heißdampf in die weiteren produktberührten Pumpenbereiche, d.h. die Förderkanäle 23 und 24, die Verdrängerkammer 25 sowie, über die zweite Bypass-Leitung, in den das Einlaßventil 22 umgebenden Ringraum. Schließlich werden der Dampf und das entstandene Kondensat über die Bohrung 18 und den sich anschließenden Teil der Verbindungsleitung 2 in den als Kondensatentleerer dienenden Auffangbehälter 5 abgeleitet.

[0018] Nach dem Abschluß des Sterilisationsvorganges und dem erneuten Schließen der Ventilspindeln 32 bis 35 sind die Bypass-Leitungen vom produktberührten Bereich vollständig abgetrennt, so das Gaspolster, die in die­sen hinterschnittenen Bereichen möglicherweise vorhan­den sind, die Funktion der Pumpe nicht beeinträchtigen.

[0019] Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung unterscheidet sich von der vorangehend beschriebenen einerseits dadurch, das die Ventilspindeln 132 und 133 in diesem Fall als Kegelsitzventile ausgebildet sind und andererseits da­durch, das das Auslaßventil 121 in den Einsatz 115 in­tegriert ist. Der hier nicht dargestellte Einlaßbereich der Pumpe ist dabei identisch aufgebaut. Die Wirkungs­weise dieser Pumpe entspricht vollständig derjenigen der Anordnung gemäß den Figuren 2 und 3.

[0020] Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung unterscheidet sich von den oben beschriebenen dadurch, das in diesem Fall die Ventilspindeln 232 und 235 gegen die Ventilspindeln 233 und 234 um 90^o versetzt angeordnet sind, ebenso wie die Bohrungen in den Einsätzen 215 bzw. 216 (letztere in der Figur nicht dargestellt). Diese Anordnung er­leichtert das Anbringen eines Antriebes zur Fremd­steuerung der Ventilspindeln.

Bezugszeichenliste

[0021] 

1 Reaktionsbehälter

2 Verbindungsleitung

3 Vorlagebehälter

4 Membranpumpe

5 Auffangbehälter (Kondensatentleerer)

6-9 Ventile

10 Pumpenkopf (110)

11 Antriebsgehäuse

12 Membran

13,14 Ausnehmung

15,16 Einsatz (115) (215)

17,18 Durchgangsbohrung

19,20 Rohrverbindungselemente

21,22 Ein- bzw. Auslaßventil (121)

23,24 Förderkanäle

25 Verdrängerkammer

26-31 Bohrungen

32-35 Ventilspindeln (132,133) (232-235)

36 Bügel

37,38 O-Ringe

39,40 Paßbolzen

41,42 Schraubenbolzen

Ansprüche

1. Membranpumpe, insbesondere für Anlagen der biolo­gischen Verfahrenstechnik, Lebensmitteltechnik und Medizintechnik, mit einer eine Verdrängerkammer beaufschlagenden Membran, wenigstens je einen selbstschließenden Ein- und Auslaßventil sowie mit Förderkanälen, die die Verdrängerkammer mit den Ein- und Auslaßventilen verbinden, dadurch gekenn­zeichnet, daß absperrbare Leitungswege (13,28,30 bzw. 14,29,31) vorgesehen sind, die den jeweils der Verdrängerkammer (25) abgewandten Bereich der Ein- bzw. Auslaßventile (21,22) mit dem jeweils zuge­ordneten Förderkanal (23,24) verbinden.

2. Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­net, daß ein Teil der Leitungswege jeweils als das Ein- bzw. Auslaßventil umgebender Hohlraum (13,14) ausgebildet ist.

3. Membranpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­net, daß der Hohlraum (13,14) als Ringraum ausge­bildet ist.

4. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­durch gekennzeichnet, daß die Leitungswege (13,28,30 bzw. 14,29,31) über Ventilspindeln (32-35, 132-135) absperrbar sind.

5. Membranpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­net, das die Ventilspindeln (32-35, 132-135) im Bereich des Ventilsitzes einen reduzierten Quer­schnitt aufweisen.

6. Membranpumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Ventilspindeln (32-35) als Kolbensitzventile ausgebildet sind.

7. Membranpumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge­kennzeichnet, das die Ventilspindeln (132-135) als Kegelsitzventile ausgebildet sind.

8. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­durch gekennzeichnet, das das Ein- bzw. Auslaßven­til (121) jeweils einstückig an einen die Hohlräume (13,14) verschließenden Einsatz (115) angeformt ist.

Zeichnung