Zahnradpumpen in der Lebensmittelproduktion

Zuckermassen die Zähne gezeigt

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In der Industrie werden Zahnradpumpen für eine Vielzahl unterschiedlichster Anwendungen eingesetzt. Dabei macht man sich zunutze, dass mit jeder Wellenumdrehung ein exakt definiertes Volumen gefördert wird. Je nach Viskosität können Drücke von bis zu mehreren 100 bar aufgebaut werden. Im Folgenden soll detaillierter auf das Fördern und Dosieren von Zuckerlösungen eingegangen werden.

Zahnradpumpen werden in der Lebensmittelindustrie durchaus skeptisch betrachtet, sind sie doch aufgrund ihrer Konstruktion nicht für aseptische Anwendungen geeignet. Die engen und zum Teil langen Spalte zwischen Gehäuse, Gleitlagern und Zahnrädern können nur mit erheblichem Aufwand hygienisch rein gehalten werden. Prinzipbedingt beträgt die Größe dieser Spalte oft nur wenige Mikrometer, eine den hohen Hygienestandards entsprechende CIP-Reinigung ist nicht möglich. Die daraus resultierende, (mehrmals) tägliche Demontage und manuelle Reinigung der einzelnen Komponenten ist nur wenig praktikabel. Daher werden Zahnradpumpen bevorzugt in weniger sensiblen Bereichen der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Bekannte Anwendungen sind hier zum Beispiel das Fördern von Öl-Wasser-Emulsionen bei der Margarineherstellung oder der Cremeherstellung. Weniger bekannt ist aber, dass Zahnradpumpen auch in Prozessen für die Herstellung von Süßigkeiten eingesetzt werden. Hier reicht das Einsatzgebiet der Witte-Pumpen vom Fördern und Dosieren von Zuckerlösungen und Karamellmassen bis hin zur Extrusion von Kaugummi oder Lakritz. Für diese Anwendungen sind Zahnradpumpen sehr gut geeignet, allerdings gilt es einige Besonderheiten bei der Auslegung und Konstruktion zu beachten.

So werden zum Beispiel standardmäßig Gehäuse, Deckel und Zahnräder aus Edelstahl eingesetzt. Während für Gehäuseteile bevorzugt der austenitische Edelstahl 1.4571 verwendet wird, werden Zahnräder überwiegend aus dem martensitischen Chromstahl 1.4112 gefertigt. Diese Werkstoffwahl ist in den hohen mechanischen Anforderungen begründet, schließlich muss das gesamte für den Druckaufbau benötigte Drehmoment über die belasteten Zahnflanken übertragen werden. Sind Zahnräder aus 1.4571 diesen Belastungen ausgesetzt, würden sie innerhalb kürzester Zeit verschleißen.
Geringe Drehzahl
Beim Fördern und Dosieren von Zuckerlösungen handelt es sich um eine besonders anspruchsvolle Herausforderung für Zahnradpumpen. Beim Kochen in der Küche wird Karamellisieren gezielt zur vollen Geschmacksentfaltung eingesetzt, bei Zahnradpumpen hingegen möchte man ein Karamellisieren von Zucker unter allen Umständen vermeiden. Es handelt sich dabei nicht nur um eine sensorische Frage, für Zahnradpumpen stellt karamellisierender Zucker im wahrsten Sinne des Wortes ein handfestes Problem dar. Da sich in den produktgeschmierten Gleitlagern ein hydro-dynamischer Schmierfilm ausbilden muss, führt ausgehärtetes Produkt unweigerlich zu schwerwiegenden Schmierproblemen mit anschließendem Pumpenausfall.
Die an die jeweilige Fördermenge angepasste Pumpengröße hat einen entscheidenden Einfluss auf die spätere Betriebssicherheit der Pumpe. Je kleiner die Pumpe ist, umso höher ist bei konstanter Fördermenge die Pumpendrehzahl. Mit steigender Pumpendrehzahl vergrößert sich selbstverständlich auch die Gleitlagerreibung und somit auch die Temperatur des Fördermediums im Lager. Um eine unzulässige Produkterwärmung im Gleitlager zu verhindern, werden daher größere Pumpen mit entsprechend geringer Drehzahl eingesetzt.
Harte Gleitlagerwerkstoffe
Aber auch der Gleitlagerwerkstoff sollte mit Bedacht ausgewählt werden. So haben Kohlelager zwar gute Laufeigenschaften, sind aber für den Einsatz von partikel- bzw. zuckerkristallhaltigen Medien denkbar ungeeignet. Die verhältnismäßig weiche Kohle würde das Einlagern dieser harten Kristalle in die Gleitfläche ermöglichen, Abrasion an den Wellenzapfen wäre die unweigerliche Folge. Die Erfahrung hat gezeigt, dass sich harte Keramiken am besten als Gleitlagerwerkstoff eignen. Neben den niedrigen Reibwerten von Siliziumkarbid (SiC) und Zirkonoxid (ZrO2) macht man sich auch die große Härte dieser Werkstoffe zunutze.
Welcher dieser beiden Keramiken letztendlich der Vorzug gegeben wird, sollte auf die jeweilige Anwendung angepasst entschieden werden. Während Zirkonoxid durch eine stahlähnliche Wärmeausdehnung überzeugt, bietet Siliziumkarbid den Vorteil der sehr hohen Wärmeleitfähigkeit und somit die effektive Abfuhr von Reibungswärme aus den Gleitlagern. Als eher negativ zu werten ist, dass Siliziumkarbid deutlich spröder als Zirkonoxid ist und somit auch das Risiko von Produktverunreinigungen durch abgeplatzte Gleitlagersplitter größer ist.
Temperiertes Gehäuse
Die Reibungswärme aus den Gleitlagern wird an das temperierte Pumpengehäuse abgegeben. Im Gegensatz zu einfachen Heizmänteln oder Heizkammern zeichnet sich das Witte-Heizsystem durch seine hohe Effizienz aus. Die nah an den Gleitlagern und Zahnrädern angeordnete Wärmeübertragungsfläche sorgt für bestmögliche Temperierung des Pumpenkopfs. Durch kleine Drosselstifte wird das Heizmedium kontrolliert durch die zehn Bohrungen und die beiden seitlichen Ringkanäle geleitet. Da die Drosselstifte den Kanalquerschnitt lediglich verengen und nicht verschließen, wird sichergestellt, dass das Heizsystem zuverlässig entlüftet werden kann.
Das aus der Pumpe herausgeführte Wellenende wird im Regelfall mittels einer doppelten, gesperrten Gleitringdichtung abgedichtet. Die in Back-to-back-Anordnung ausgeführte Gleitringdichtung wird gewählt, damit die rotierenden Bauteile der Wellendichtung außerhalb des Produktbereichs angeordnet sind. Andernfalls würde das zum Verkleben neigende Fördermedium zum Blockieren und somit auch zum Ausfall der Gleitringdichtung führen. Als Werkstoffpaarung für Gleit- und Gegenring kommt auf der Produktseite üblicherweise Siliziumkarbid/Siliziumkarbid zum Einsatz, während auf der atmosphärischen Seite die Paarung aus Siliziumkarbid und Kohle ausreichend ist.
Halle 10.1, Stand C81
prozesstechnik-online.de/dei1211409
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