Für den aseptischen Einsatz geeignet

Zu den besonderen Anforderungen der Nahrungsmittelindustrie an Maschinen und Komponenten zählen die Einsetzbarkeit in viskosen und abrasiven Produkten sowie die Beständigkeit bei hohen Temperaturen und aggressiven Medien. Die eingesetzten Gleitringdichtungen sind somit nicht nur hohen steriltechnischen Anforderungen ausgesetzt, sondern müssen auch den enormen mechanischen und physikalisch-chemischen Bedingungen gerecht werden. Für diese Medien haben sich Gleitringdichtungen mit einem Metallfaltenbalg als vorteilhaft erwiesen, da sie keinen Elastomer als dynamisches Nebendichtelement besitzen. Dadurch wird Verschleiß auf der Welle bzw. Wellenschutzhülse sowie ein Abhängen der Dichtung bei Ablagerungen vermieden. Auch aus steriltechnischer Sicht haben Dichtungen mit dynamischem Nebendichtelement deutliche Nachteile, da durch die axiale Relativbewegung zwischen O-Ring und Welle Kontaminationen verschleppt werden können.

Allerdings sind Metallfaltenbalgdichtungen nicht grundsätzlich für den aseptischen Einsatz geeignet. Dies gilt insbesondere für die geschweißten Metallfaltenbälge, deren Falten durch radiales Verschweißen von formgepressten Metalllamellen hergestellt werden. Die Zwischenräume dieser Falten sind eng und spitzwinklig und somit schlecht zu reinigen. Von allen betrachteten Konstruktionen wurde daher das Konzept des gerollten Metallfaltenbalges als das erfolgversprechendste ausgewählt. Vorteile gegenüber geschweißten Metallbälgen sind die wesentlich verkürzte Schweißnaht und die glatten Konturen des Faltenbalges. Dieses Konzept weist einerseits gute mechanische Dichteigenschaften auf und kann andererseits so ausgelegt werden, dass sowohl auf der produktberührten, als auch auf der produktabgewandten Seite ein glattes, gut zu reinigendes Profil entsteht. Weiterhin sind alle Elastomere statisch, da die axialen Ausgleichsbewegungen durch den Rollbalg aufgenommen werden. Das Kontaminationsrisiko durch dynamische Elastomere wird somit ausgeschlossen. Der gute Wärmetransport über den metallischen Rollbalg ermöglicht, dass das gepumpte Produkt durch entsprechende Quenchvorlagen gezielt gekühlt oder erhitzt werden kann. Das führt zu einer verringerten mechanischen Belastung der Gleitringdichtung.

Bestimmte Eigenschaften von gerollten Metallfaltenbälgen können sich aber für aseptische Einsätze als negativ erweisen. So begegnet man hohen Drücken in der Regel durch Verstärkung des Balgmaterials, wodurch der Balg sehr steif und somit die Dichtungsfunktion deutlich eingeschränkt wird. Man begegnet diesem Problem durch eine Erhöhung der Faltenanzahl pro Längeneinheit und eine Reduktion der Spannungsspitzen im Balgmaterial. Erreicht wird dies durch V-förmig ausgeführte Falten. Weiterhin können durch den Einsatz von doppelwandigen Bälgen bei gleicher Druckbelastbarkeit eine verbesserte Flexibilität und geringere Axialkräfte erzielt werden. Die genannten Konstruktionsprinzipien hat John Crane erfolgreich bei der Saflex-Dichtungsfamilie umgesetzt. Diese wurde für Non-Food-Anwendungen mit heißen, viskosen oder abrasiven Medien entwickelt und diente nun als technologische Basis für die Entwicklung der Saflex-H-Hygienedichtung.

Um die Schwingungstoleranz der Dichtung zu prüfen, wurde eine erhebliche Anzahl von zyklischen Tests durchgeführt. Sie zeigten, dass die Saflex-H-Dichtung auch bei einer simulierten Winkelabweichung von 0,25° an den Gleitflächen über 108 Rotationszyklen zufriedenstellend funktioniert und somit den O-Ringdichtungen überlegen ist, deren Nebendichtelemente bei solchen Winkelabweichungen schnell ermüden und die dadurch zu einer Quelle von Kontaminationen werden können. Die Drehmitnahme des Gleitrings wird ohne zusätzliche Elemente wie Mitnahmeklauen realisiert. Die Verdrehsicherung des Gegenrings erfolgt ohne Stifte, sondern durch Reibschluss der statischen Nebendichtung. Drehmomenttests haben die Funktionssicherheit der Saflex-H-Dichtung bei hochviskosen Medien bestätigt.

Die eingesetzten Werkstoffe sind FDA-konform und wurden so ausgewählt, dass der Anwender mit wenigen Varianten möglichst viele Einsatzbedingungen abdecken kann. Bei den Gleitwerkstoffen fiel die erste Wahl auf die Kombination Hartkohle gegen Siliziumkarbid. Für hochviskose Medien ist Hartkohle allerdings nur bedingt geeignet. Alternativ können beide Gleitpartner aus Siliziumkarbid gefertigt werden, was allerdings zu einer Verschlech-terung der Notlaufeigenschaften führt. Daher wurde für die Saflex-H-Dichtung neben Kohle auch ein Compound-Werkstoff, bestehend aus Siliziumkarbid mit Graphiteinlagerungen, als Standardwerkstoff ausgewählt. Das Ergebnis: Die Notlaufeigenschaften bleiben erhalten und die Dichtung hält hochviskosen und abrasiven Medien stand.

Um eine gute Reinigbarkeit und Sterilisierbarkeit zu erreichen, wurde die Geometrie der Falten so geändert, dass die V-Form zugunsten von parallel ansteigenden Flanken aufgegeben wurde. Dadurch werden einerseits Produktanhaftungen erschwert. Zum anderen sind die Zwischenräume zwischen den Falten besser für Reinigungs- und Sterilisationsmittel zugänglich. Damit die mechanischen Dichtungseigenschaften erhalten bleiben, war allerdings eine Vergrößerung der axialen Baulänge notwendig.

Des Weiteren kommt die Saflex-H ohne O-Ringe als statische Nebendichtung aus. Der Gegenring wird durch einen mit dem Pumpengehäuse oder dem Patronendeckel gerade abschließenden Winkelring abgedichtet. Die Abdichtung der Balg-einheit gegenüber der Wellenschutzhülse oder dem Lauf-rad der Pumpe erfolgt durch einen rechteckigen Formring, dessen maximale Pressung direkt am Produktraum erfolgt. Auf diese Weise können keine Kontaminationen in die Dichtnut eindringen. Alle Drehmitnahmen und Befestigungselemente liegen außerhalb des Produktraums. Schlecht zugängliche Sacklöcher, wie sie bei den üblichen Madenschrauben auftreten, gibt es nicht. Außerdem ist die Balgeinheit elektropoliert (Abb. 1).

Ein EHEDG-Gutachten, das von der englischen Campden & Chorleywood Food Research Association Group erstellt wurde, bestätigt das hygienische und reinigungsfreundliche Design der Saflex-H-Dichtung. Dazu wurde die Dichtung in eine MDM-Pumpe (Typ H-32) eingebaut und die Reinigbarkeit des Systems nach dem in Dokument 2 der European Hygienic Equipment Design Group (EHEDG) beschriebenen Verfahren geprüft (Abb. 2).

In vielen Fällen hat die Forderung nach einfacher und sicherer Montage von Gleitringdichtungen zum verstärkten Einsatz von Patronendichtungen geführt. Vor diesem Hintergrund verfolgten die Entwickler das Ziel, die Vorzüge von Patronendichtungen auch auf die Saflex-H zu übertragen (Abb. 3). Es wurde daher eine Patronenversion entworfen, die in erster Linie als Einfachdichtung mit Quenchanschluss für Flüssigkeiten und Dämpfe eingesetzt werden kann. Konstruktionsbedingt ermöglicht die Saflex-H-Dichtung eine hohe Wärmeübertragung durch die Metallfaltenbälge. Dadurch kann mit der Dichtung das gepumpte Produkt durch Benutzung eines geeigneten Quenchmediums gezielt erhitzt oder gekühlt werden. Dieser Umstand unterstützt einerseits die Funktion der Dichtung und schützt andererseits das Produkt vor schädlichen Temperaturschwankungen. Außerdem kann mit Hilfe eines Dampfquenches die Dichtung auch von der Atmosphärenseite her gedämpft oder sterilisiert werden.

Halle 8.0, Stand F13-19