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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Feinverteilung eines flüssigen Mediums (A) in einer mit diesem nicht mischbaren Flüssigkeit (B), in welcher gleichzeitig ein Gas fein verteilt wird, insbesondere zur Feinverteilung von flüssigen oder verflüssigten Kohlenwasserstoffen in einer gleichzeitig belüfteten Nährlösung bei der Züchtung von Mikroorganismen, sowie auf eine zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Insbesondere bei der Züchtung von Mikroorganismen auf kohlenwasserstoffhältigen Nährböden ist es wichtig, eine feine Verteilung der Kohlenwasserstoffe in der Maische zu erzielen, da sonst ein unzufriedenstellender Abbau der Kohlenwasserstoffe und ein mangelhaftes Zellwachstum (Zellvermehrung) stattfindet. Es wird beispielsweise in der österr. Patentschrift Nr. 262198 auf die Bedeutung hingewiesen, die einer
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Niederschlagen der Kohlenwasserstoffe auf einer bewegten Flüssigkeitsoberfläche, Einwirkung von Ultraschallwellen, Anwendung von Kolloidmühlen usw., vorgeschlagen. Durch derartige Massnahmen werden mittlere Teilchengrössen von 5 Jl und darüber erreicht, doch sind die betreffenden Verfahrensweisen umständlich und bedürfen eines hohen apparativen Aufwandes.
Bei der submersen Züchtung von Mikroorganismen muss bekanntlich auch ein sauerstoffhältiges Gas, z. B.
Luft, mit dem Züchtungsmedium in innige Berührung gebracht, also in diesem fein verteilt werden, um ausreichende Lebensbedingungen für die Mikroorganismen zu schaffen. Bei der Verarbeitung von Kohlenwasserstoffen zu Zellmasse sind beispielsweise für 1 kg zu verarbeitenden Kohlenwasserstoffes mindestens etwa 2, 5 kg Sauerstoff, was etwa 8 m3 Luft entspricht, in die Flüssigkeit einzubringen. Wegen der unvollständigen Ausnutzung des Sauerstoffes beträgt in der Praxis der Luftverbrauch meist ein Mehrfaches, etwa das Vierfache, dieser Menge. Selbst wenn Kohlenwasserstoffgemische zur Anwendung kommen, die nur teilweise assimilierbar sind, überwiegt im allgemeinen das Volumen des zu verteilenden Gases jenes der zu verteilenden, mit dem Züchtungsmedium nicht mischbaren Flüssigkeit.
Erfindungsgemäss werden bei einem Verfahren der eingangs genannten Art das Gas und auch das zu verteilende flüssige Medium (A) an dieselbe Leiteinrichtung bzw. dieselben Leiteinrichtungen derart herangeführt, dass die Verteilung des flüssigen Mediums (A) in der Turbulenz der nicht mischbaren Flüssigkeit (B) an und unmittelbar nach einer oder mehreren Vakuolen (strömungstechnische Unterdruckgebiete stattfindet, die in an sich bekannter Weise durch Relativbewegung zwischen der nicht mischbaren Flüssigkeit (B) und den in derselben befindlichen Leiteinrichtungen gebildet werden. Wird nämlich zwischen einer Flüssigkeit und einem in dieser befindlichen Körper eine Relativbewegung geschaffen, dann entstehen in der Flüssigkeit hinter dem Körper Zonen niedrigen Druckes.
Wenn nun in diese Zonen niedrigen Druckes Gas eingebracht wird, so bildet sich in der Flüssigkeit hinter dem Körper ein mit Gas gefüllter Raum aus, der in vorliegendem Zusammenhang mit Vakuole bezeichnet ist. Durch das erfindungsgemässe Verfahren erübrigt sich die Durchführung zweier getrennter Verteilungsschritte, da die Feinverteilung der Flüssigkeit und des Gases in einem Arbeitsgang gemeinsam erfolgt.
Es hat sich dabei gezeigt, dass Verteilungsgrade erreicht werden können, bei denen die mittlere Tröpfchengrösse um l ju und darunter liegt. Die Feinverteilung der Flüssigkeit und des Gases erfolgt hauptsächlich an den Grenzflächen der Vakuole und an deren Wirbelzopf. Das Gas wird dabei diesen übertrittsstellen vorteilhafterweise durch die Vakuole hindurch zugeführt, z. B. durch Austrittsöffnungen in dem die Vakuole verursachenden Körper.
Zweckmässigerweise können das zu verteilende flüssige Medium (A) und das einzubringende Gas über die Vakuolen gemeinsam in die nicht mischbare Flüssigkeit (B) eingebracht und darin fein verteilt werden, wodurch auf besonders einfache Art beide Komponenten in der nicht mischbaren Flüssigkeit dispergiert werden. Dabei kann das zu verteilende flüssige Medium (A) im Gas nur grob verteilt, z. B. versprüht oder verschäumt, und erst das so erhaltene Gemisch sodann in der nicht mischbaren Flüssigkeit (B) fein verteilt werden. Diese Massnahme ergibt eine besonders gleichmässige und gute Feinverteilung sowohl des Gases als auch des zu verteilenden flüssigen Mediums und hat den Zweck, eine einigermassen gleichmässige Zufuhr des zu verteilenden flüssigen Mediums mit dem Gas an den Ort der Feinverteilung sicherzustellen.
Es kann aber auch das zu verteilende flüssige Medium (A) und das zu verteilende Gas in die Vakuolen gesondert eingebracht werden, wodurch auch ein Gas und ein flüssiges Medium in einer Flüssigkeit verteilt werden können, die miteinander reagieren, wobei jedoch vor der Verteilung in der Flüssigkeit eine Reaktion nicht stattfinden soll.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist in an sich bekannter Weise Leiteinrichtungen auf, mittels welcher in der zu begasenden Flüssigkeit (B) durch Relativbewegung zwischen dieser und den Leiteinrichtungen das Gas verteilende Vakuolen bildbar sind. Erfindungsgemäss münden die Zuführungsleitung bzw. -leitungen für das zu verteilende flüssige Medium (A) in einer oder mehreren Gaszuführungsleitungen bzw. in, oder an, den Leiteinrichtungen aus.
Die Leiteinrichtungen können hiebei in an sich bekannter Weise durch an ihren von der Anströmung abgewandten Seiten offene Rinnen gebildet sein, die von einem mit der Gaszuführungsleitung versehenen rotierenden Hohlkörper aus strahlenförmig in die zu begasende Flüssigkeit (B) verlaufen, wobei dann wieder in erfindungsgemässer Weise die Zuleitung für das zu verteilende flüssige Medium
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(A) in die Gaszuführungsleitung mündet. Statt in die Gaszuführungsleitung können die Zuleitungen für das zu verteilende flüssige Medium (A) aber auch direkt in die Leiteinrichtungen münden, u. zw. in Abstand von der Drehachse des Hohlkörpers.
Es ist aber auch möglich, die Zuführungsleitungen für das zu verteilende flüssige Medium (A) in oder an feststehenden Leiteinrichtungen ausmünden zu lassen, welche mit einer Gaszuführungsleitung und mit Öffnungen zum Gasaustritt versehen und in einem Behälter angeordnet sind, in dem die zu begasende Flüssigkeit (B) durch eine Fördereinrichtung in Strömung versetzbar ist. Zweckmässigerweise kann dabei die Zuleitung für das zu verteilende flüssige Medium (A) teilweise innerhalb der Leiteinrichtungen verlegt sein. Ferner können die Zuleitungen für das zu verteilende flüssige Medium (A) mit Warmhalteeinrichtungen, wie beispielsweise Isolationen, Beheizungen od. dgl., ausgestattet sein.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen näher beschrieben, die mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Verfahrensdurchführung wiedergibt. Fig. l zeigt das erste Ausführungsbeispiel
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zeigt in vergrössertem Massstab einen Schnitt nach Linie III-III der Fig. 2, Fig. 4 stellt ein anderes Ausführungsbeispiel, ebenfalls im Vertikalschnitt, dar. Fig. 5 ist ein Grundrissschnitt nach Linie V-V der Fig. 4. Fig. 6 ist ein Seitenrissschnitt nach Linie VI-VI der Fig. 4. Fig. 7 ist ein der Fig. 6 analoger Seitenrissschnitt, jedoch bei einer Ausführungsform, bei welcher die Zufuhr des zu verteilenden flüssigen Mediums zu den Vakuolen von aussen her erfolgt. In Fig. 8 ist ein Schnitt nach Linie VIII-VIII der Fig. 6, u. zw. in grösserem Massstab, dargestellt.
Fig. 9 veranschaulicht einen Schnitt nach Linie IX-IX der Fig. 7, ebenfalls in grösserem Massstab. Fig. 10 zeigt einen Querschnitt durch eine Leiteinrichtung und durch eine sich hinter dieser bildenden Vakuole, wobei auch der Verlauf der Strömungslinien und der Wirbelzonen veranschaulicht sind.
Gemäss dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. l bis 3 ist in einem Behälter --1-- ein rotationssymmetrischer Hohlkörper --2-- vorgesehen, von welchem aus etwa radial verlaufende Leiteinrichtungen --3-- in die zu begasende Flüssigkeit ragen. Der Hohlkörper-2-ist auf einer über die
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--5-- angeordnet,Antriebswelle--5--. Die Leiteinrichtungen --3-- sind dabei als an ihren in Drehrichtung hinteren Seiten offene Rinnen ausgebildet, deren Profil in Fig. 3 veranschaulicht ist. Die Zuführung des zu verteilenden Gases zu dem rotationssymmetrischen Hohlkörper erfolgt über eine im Behälter--l--feststehend angeordnete Gaszuführungsleitung--6--, die an eine von einer Gasförderanlage kommende Leitung --7-- angeschlossen ist.
Zwischen der Gaszuführungsleitung --6-- und dem Hohlkörper --2-- ist eine an der
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. l mündet die Zuleitung-13--für das zu verteilende flüssige Medium in die Gaszuführungsleitung-6-, wobei die Zuleitung --13-- mit einem Sprühkopf-14-versehen ist. Durch eine derartige Vorrichtung wird vermieden, dass das zugeführte zu verteilende flüssige Medium die rinnenartigen Leiteinrichtungen bereits in Achsnähe verlässt, d. h. an einem Ort geringer Relativgeschwindigkeit, wodurch die Verteilung weniger fein ausfallen kann.
Durch das Grobverteilen des zu verteilenden flüssigen Mediums im Gas wird dieses Medium durch die Strömung des Gases leichter an die achsferneren Stellen der rinnenartigen Leiteinrichtungen mitgerissen, wodurch zufolge der dort herrschenden höheren Relativgeschwindigkeiten zwischen den Leiteinrichtungen und der umgebenden Flüssigkeit eine sehr feine Verteilung des flüssigen Mediums in der umgebenden Flüssigkeit erzielt wird.
Zum Betrieb wird der Behälter --1-- teilweise mit Flüssigkeit gefüllt, das zu verteilende Gas sodann über
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den Behälterinhalt oder einen Eintritt von im Behälter--l--befindlicher Flüssigkeit in die Gaszuführungsleitung --6-- durch den Ringspalt zwischen Beschleunigungsdüse-8-und Verzögerungsdüse --9--. Es erfolgt also eine gemeinsame Zufuhr der zu verteilenden Flüssigkeit und des zu verteilenden Gases
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einem sogenannten Wirbelzopf zusammenlaufen.
Es wird durch die umgebende, vorbeiströmende Flüssigkeit in den Wirbelzonen an den Grenzflächen das in den Vakuolen befindliche Gas und das darin befindliche flüssige Medium in feiner Schicht gleichsam zerrieben, also in kleinste Teilchen zerlegt, und in dieser Form dann durch den Wirbelzopf in der Flüssigkeit verteilt.
Bei der Ausführungsvariante gemäss Fig. 2 mündet die Zuleitung --13-- für das zu verteilende flüssige Medium nicht in die Gaszuführungsleitung--6-, sondern reicht bis in eine im Mantelrohr --10-- durch einen an dem Hohlkörper --2-- angeordneten Zylinder --15-- gebildete Ringkammer --16--, von der aus innerhalb des Hohlkörpers --2-- und der Leiteinrichtungen--3--verlegte Leitungen--17--bis in die Leiteinrichtungen --3-- führen. Die Ringkammer --16-- kann durch radiale Trennwände in mehrere, den Leiteinrichtungen --5-- zugeordnete Sektoren unterteilt sein. Durch die Gaszuführungsleitung-6- wird in diesem Fall nur das Gas zugeführt.
Das zu verteilende flüssige Medium vereinigt sich mit dem Gas nach seinem Austritt aus den Leitungen --17-- in den Leiteinrichtungen-3-, also kurz vor der Verteilung in der umgebenden Flüssigkeit. Das Austrittsende der Leitungen--17--befindet sich an einer solchen Stelle, dass die Zufuhr des zu verteilenden flüssigen Mediums zur Vakuole in einem vorgewählten, für die gewünschte Verteilung günstigen Abstand von der Drehachse erfolgt. Durch eine solche Ausbildung prreicht man eine Verteilung bei bestimmten Umfangsgeschwindigkeiten der Einrichtung, d. h. bei einer bestimmten Relativgeschwindigkeit zwischen Vakuole und umgebender Flüssigkeit, und damit eine weitgehende Einschränkung des Grössenbereiches der verteilten Flüssigkeitströpfchen auf ein gewünschtes Mass.
Wenn ein breites Tröpfchenspektrum erwünscht ist, kann der Austritt über die ganze Länge der rinnenartigen Leiteinrichtungen gleichmässig erfolgen. Beim Austrittsende der Leitungen --17-- künnen Ablenkbleche --18-- angebracht sein, welche das austretende Medium zwingen, entlang der Innenwand der Leiteinrichtungen --3-- direkt zu den Grenzflächen der Vakuole zu fliessen, wo die Feinverteilung stattfindet.
Gemäss dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 bis 6 und 8 sind die mit --21-- bezeichneten
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liegen senkrecht zur Richtung--A--der vorbeiströmenden Flüssigkeit, wobei die Abströmkanten aller Leiteinrichtungen in einer horizontalen Ebene angeordnet sind. Eine derartige Vorrichtung mit feststehenden, von der umgebenden Flüssigkeit umströmten Leiteinrichtungen weist gegenüber Vorrichtungen mit rotierenden Leiteinrichtungen verschiedene Vorteile auf. Es entfallen dabei die Probleme der Wellenabdichtung, der Lagerung, der Zuführung von zu verteilender Flüssigkeit und Gas, da diese Einrichtungen ja nicht bewegt werden und mit den umgebenden Bauteilen starr verbunden werden können. Sie können aber auch durch entsprechende Anordnung der Leiteinrichtungen leichter selbstansaugend ausgebildet werden, so dass sich z. B.
Kompressoren für die Gaszufuhr erübrigen, wenn das zu verteilende Gas Luft ist. Weiters ist es bei solchen feststehenden Leiteinrichtungen leichter als bei rotierenden, über die ganze Erstreckung der Austrittsöffnung gleichmässige und definierte Strömungsverhältnisse aufrechtzuerhalten, da über die ganze Länge der Leiteinrichtungen die gleiche Relativgeschwindigkeit zwischen den Leiteinrichtungen und der umgebenden Flüssigkeit vorliegt, so dass auch die Verteilung der Flüssigkeit und des Gases an allen Stellen annähernd gleich ist. Die Relativbewegung zwischen umgebender Flüssigkeit und Verteileinrichtung kann z. B. durch Veränderung der Förderleistung der Fördereinrichtung weitgehend vorgewählt werden.
Die als Hohlkörper ausgebildeten Leiteinrichtungen --21-- sind durch je eine Trennwand --28-- in einen an der Abströmseite offenen Abschnitt--21'--und einen der Zufuhr des zu verteilenden flüssigen Mediums dienenden Abschnitt --21"-- unterteilt. Die Trennwand --28-- weist entlang der Wandungen der Leiteinrichtung Durchbrechungen --29-- auf, durch die das zu verteilende flüssige Medium über die Innenwand des Abschnittes--21"--zur Grenzfläche der strichliert angedeuteten Vakuole fliessen kann.
Nötigenfalls können Vorkehrungen getroffen werden, die eine gleichmässige Beaufschlagung aller Durchbrechungen --29-- mit gleichen Anteilen der-meist relativ kleinen-Menge des zu verteilenden flüssigen Mediums sicherstellen. Zur Zuführung des zu verteilenden flüssigen Mediums in den Abschnitt --21"--isteineZuleitung--30--vorgesehen.
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Teil--22-derLeiteinrichtungen --21-- umschliessenden Teil --22-- der Umwälzleitung.
Der in Fig. 7 wiedergegebene, der Fig. 6 analoge Seitenrissschnitt und die Fig. 9, welche analog der Fig. 8 ist, lassen, wie bereits erwähnt, Leiteinrichtungen erkennen, bei denen das zu verteilende flüssige Medium den Vakuolen über die Aussenfläche der Leiteinrichtungen zugeführt wird. An den Teil--37--der Umwälzleitung schliesst hier ein die wieder nebeneinander parallel angeordneten hohlen Leiteinrichtungen-38umschliessender kastenförmiger Leitungsteil --39-- an, der mit Gaseintrittsöffnungen --40-- versehen ist, über welche das Gas von der Gaszuführung --41-- in die Leiteinrichtungen eintreten kann.
Die Leiteinrichtungen --38-- sind wieder durch eine Trennwand --42-- in einen der Gaszufuhr dienenden
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den Aussenflächen der Leiteinrichtungen-38--. zu den Grenzflächen der strichliert angedeuteten Vakuolen strömen. Zur Zuführung des zu verteilenden flüssigen Mediums in den Abschnitt --38"-- ist eine Zuleitung --44- vorgesehen.
Bei in Betrieb befindlicher Kreiselpumpe--23--wird die im Flüssigkeitsbehälter--31--befindliche Flüssigkeit über die Teile-36, 37,22 und 32-der Umwälzleitung in Umlauf versetzt und strömt dabei an den im Flüssigkeitsstrom befindlichen feststehenden Leiteinrichtungen-21 (Fig. 4 bis 6 und 8) bzw. 38-- (Fig. 7 und 9) vorbei. Die Flüssigkeit wird hiebei an den Leiteinrichtungen mit einer Geschwindigkeit von 4 bis 20 m/sec vorbeigeführt, wobei sie an allen Abströmstellen annähernd die gleiche ist. Dabei bilden sich an den
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zugeleitet, durch deren Inneres das Gas über die Vakuolenoberfläche in die Flüssigkeit geleitet und dort in feine Bläschen aufgelöst wird.
Die mittels der feststehenden Leiteinrichtungen bewirkte Vakuolenbildung wird dabei oberhalb des Flüssigkeitsspiegels im Flüssigkeitsbehälter--12--, also an einem Ort geringeren statischen Flüssigkeitsdruckes, vorgenommen, so dass das Gas unter Atmosphärendruck zugeleitet werden kann, da es durch den in den Vakuolen herrschenden Unterdruck in diese eingesaugt wird. Es erübrigt sich damit, das zuzuführende Gas unter Druck zu setzen. Das erhaltene Gas-Flüssigkeit-Gemisch wird sodann über die sich nach unten trompetenartig erweiternde Falleitung --32-- einem Ort höheren statischen Flüssigkeitsdruckes zugeführt, u. zw. bis nahe dem Boden des Flüssigkeitsbehälters --31--.
Durch den an der horizontalen Scheibe--34-- vorgesehenen Leitkörper-35-und die trompetenartige Aufweitung der Falleitung ist ein ringdüsenähnlicher Austritt für die Flüssigkeit gegeben, die somit in den die Falleitung umgebenden Flüssigkeitsbehälter --31-radial einströmt.
über der Scheibe --34-- tritt eine weitgehende Entmischung des Gas-Flüssigkeit-Gemisches ein, wodurch gasblasenarme und gasblasenreiche Flüssigkeitsteile zustandekommen, die durch die Schwerkraft getrennt werden, wobei der gasblasenreiche Teil in der im Flüssigkeitsbehälter befindlichen Flüssigkeit aufsteigt und der gasblasenarme Teil unterhalb der Scheibe --34-- von der Kreiselpumpe --23- über den Teil-36-der
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wodurch auch die Zirkulation der Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter gesteigert wird. Auch an der unteren Seite der Scheibe kann ein die Strömung begünstigender Leitkörper angebracht sein. Das an der Flüssigkeitsoberfläche aus der Flüssigkeit austretende Gas entweicht aus dem Behälter-31-durch die Austrittsöffnung --45--.
Das zu verteilende flüssige Medium wird über die Leitungen-30 bzw. 44-in die oberen Abschnitte - 21"bzw. 38"der Leiteinrichtungen geführt und tritt von dort durch die Öffnungen--29 bzw. 43-aus. Im Falle der Fig. 6 und 8 vereinigt sich das zu verteilende flüssige Medium im Abschnitt --21'-- mit dem Gas und tritt mit diesem gemeinsam in die Vakuole ein, an deren Grenzfläche beide Medien in der umgebenden Flüssigkeit dispergiert werden.
Im Falle der Fig. 7 und 9 wird das durch die Bohrungen --43-- ausströmende zu verteilende flüssige Medium zunächst durch die Strömung der umgebenden Flüssigkeit entlang den Aussenflächen der Leiteinrichtungen --38-- mitgenommen und gelangt von dort zu den Grenzflächen der Vakuolen, wo es ebenfalls gemeinsam mit dem über den Abschnitt --38'-- zugeführten Gas in der umgebenden Flüssigkeit dispergiert wird.
Auch bei einer Vorrichtung mit feststehenden Leiteinrichtungen, ähnlich der in den Fig. 4 bis 9 dargestellten, ist es möglich, das zu verteilende flüssige Medium und das Gas über eine gemeinsame Leitung
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zuzuführen, wobei auch wieder, wie weiter oben schon angeführt, eine Vorverteilung des flüssigen Mediums im Gas, z. B. durch Versprühen oder Verschäumen, erfolgen kann. Umgekehrt ist die Zuführung des zu verteilenden flüssigen Mediums über die Aussenfläche der Leiteinrichtungen, wie dies im Zusammenhang mit feststehenden Verteileinrichtungen bereits erläutert wurde, sinngemäss auch bei rotierenden Verteilvorrichtungen möglich.
Bei beiden Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, Stoffe in Flüssigkeiten feinzuverteilen, welche bei der Temperatur der umgebenden Flüssigkeit fest sind, wie z. B. feste Kohlenwasserstoffe, sofern man sie in verflüssigtem, beispielsweise geschmolzenem Zustand zuführt. Handelt es sich um Schmelzen, dann ist dafür Sorge zu tragen, dass ihre Temperatur nicht vor der Verteilung unter den Erstarrungspunkt absinkt. Zu diesem Zweck können die Zuführungsleitung bzw. -leitungen für das zu verteilende flüssige Medium mit Warmhalteeinrichtungen, wie z. B. Isolationen, Beheizungen usw. ausgestattet sein.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Feinverteilung eines flüssigen Mediums (A) in einer mit diesem nicht mischbaren Flüssigkeit (B), in welcher gleichzeitig ein Gas feinverteilt wird, insbesondere zur Feinverteilung von flüssigen oder verflüssigten Kohlenwasserstoffen in einer gleichzeitig belüfteten Nährlösung bei der Züchtung von
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Medium an dieselbe Leiteinrichtung bzw. dieselben Leiteinrichtungen derart herangeführt werden, dass die Verteilung des flüssigen Mediums (A) in der Turbulenz der nicht mischbaren Flüssigkeit (B) an und unmittelbar nach einer oder mehreren Vakuolen (strömungstechnische Unterdruckgebiete) stattfindet, die in an sich bekannter Weise durch Relativbewegung zwischen der nicht mischbaren Flüssigkeit (B) und den in derselben befindlichen Leiteinrichtungen gebildet werden.
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