DE102005022373A1

DE102005022373A1 - Hygienisierungsvorrichtung

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Publication number: DE102005022373A1
Application number: DE102005022373A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2005-12-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Hygienisieren biologischer Materialien, umfassend einen Behälter zum Aufnehmen des biologischen Materials und Temperierungsmittel zum Erwärmen und/oder Abkühlen des biologischen Materials in dem Behälter. Solche Vorrichtungen weisen das Problem auf, dass sich durch die Erwärmung aus den biologischen Materialien feste Ablagerungen im Inneren des Behälters bilden, die den Betrieb behindern können. Dieses Problem wird erfindungsgemäß vermieden, indem ein innerhalt des Behälters angeordnetes Rohr, dessen Außenwand von der Innenwand des Behälters in zumindest einem Bereich beabstandet ist, und eine Verdrängervorrichtung, die ausgebildet ist, um eine Strömung innerhalb des Rohres und durch den Bereich zwischen der Außenwand des Rohres und der Innenwand des Behälters zu erzeugen, vorgesehen wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Hygienisieren biologischer Materialien, umfassend einen Behälter zum Aufnehmen des biologischen Materials und Temperierungsmittel zum Erwärmen und/oder Abkühlen des biologischen Materials in dem Behälter. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Anlage zum Hygienisieren biologischem Materials mit einer solchen Vorrichtung. Schließlich ist ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Blockheizkraftwerk mit einer Anlage der zuvor beschriebenen Art.

Vorrichtungen der vorgenannten Art sind bekannt. Sie werden beispielsweise eingesetzt, um die Biomasse, die in einer Biogasanlage als Energie liefernder Rohstoff verbraucht wird, vorzubehandeln.

Eine solche Vorbehandlung ist erforderlich, da in den Biomassen regelmäßig unerwünschte Hefen und Pilze enthalten sind, die den Gärprozess im Bioreaktor stören. Ein weiteres Problem besteht darin, dass in Biomassen häufig ein Nährstoffüberschuss besteht, der den Prozess im Bioreaktor ebenfalls stört.

Es ist bekannt, die Biomasse mittels bekannter Sterilisationsverfahren aufzubereiten, wobei eine völlige Keimfreiheit der Biomasse erreicht wird. Dieses Verfahren ist jedoch so teuer und aufwendig, insbesondere auf Grund der erforderlichen Erwärmung der Biomasse auf eine Temperatur im Bereich oder oberhalb von 100 Grad C°, dass ein wirtschaftlicher Betrieb einer Biogasanlage bei einer solchen Vorbehandlung mittels Sterilisierung nicht möglich ist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass für Biogasanlagen heutiger Größenordnung, das heißt mit einer Ausgangsleistung von etwa 300kW, täglich etwa 20 Tonnen Biomasse vorbehandelt werden müssen.

Eine wirtschaftliche Vorbehandlung der Biomasse besteht in der Hygienisierung, bei der durch Erwärmung auf etwa 70 Grad C° eine Teilkeimfreiheit der Biomasse erzielt wird, die für den Betrieb der Biogasanlage ausreichend ist. Dabei ist zu beachten, dass die Fermentierung der Biomasse bei etwa 37 Grad C° idealerweise verläuft, so dass die vorbehandelte Biomasse nach der Hygienisierung wieder heruntergekühlt werden muss, um eine Zufuhrtemperatur von höchstens 40 Grad C° einzuhalten.

Zur Hygienisierung von Biomassen sind Hygienisierungsvorrichtungen bekannt, bei denen die Biomasse in einen Behälter eingefüllt wird, in dem eine von heißem Wasser durchströmte Rohrleitung in mehreren gewundenen Spiralen verlegt ist. Die Biomasse wird dann durch Wärmeübertragung aus dem heißen Wasser in der Rohrspirale erwärmt und nachfolgend durch Temperaturabgabe an die Umgebung wieder abgekühlt. Diese Anlage hat unter anderem den Nachteil, dass die Biomasse bereits nach wenigen Betriebszyklen an der heißen Rohrwandung anhaftet und eine anwachsende Schicht auf der Rohrleitung bildet, die einerseits den Wärmeübergang verschlechtert und andererseits dem Fermentierungsprozess nicht zugeführt werden kann. Beide Auswirkungen führen zu einem unwirtschaftlichen Betrieb, da in regelmäßigen Abständen eine aufwendige Reinigung der Rohrspirale erforderlich ist und ein Verlust an Biomasse auftritt. Es ist bekannt, den Schichtaufbau auf der Rohrspirale durch Bewegung der Biomasse in dem Behälter mittels eines Rührwerks mit einem rotierenden Rührwerk zu verlangsamen, jedoch kann diese Maßnahme den Schichtaufbau nicht so weit verlangsamen, dass ein wirtschaftlicher Betrieb der Hygienisiervorrichtung erreicht wird.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Hygienisiervorrichtung bereit zustellen, welche zumindest eines der vorgenannten Probleme verringert oder idealerweise vermeidet.

Diese Aufgabe wird bei einer Hygienisiervorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, indem mindestens ein innerhalb des Behälters angeordnetes Rohr, dessen Außenwand von der Innenwand des Behälters in zumindest einem Bereich beabstandet ist, und eine Verdrängervorrichtung, die ausgebildet ist, um eine Strömung innerhalb des Rohres und durch den Bereich zwischen der Außenwand des Rohres und der Innenwand des Behälters zu erzeugen, vorgesehen wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass innerhalb des Behälters eine besonders vorteilhafte Strömung erzielt wird, die eine Anhaftung der Biomasse an den Behälterwänden und den Rohrwänden nahezu vollständig vermeidet. Das innerhalb des Behälters angeordnete Rohr weist dabei vorzugsweise eine Querschnittsfläche auf, die eine maßstäbliche Verkleinerung der Querschnittsfläche des Behälters ist. Auf diese Weise wird eine besonders bevorzugte Beabstandung zwischen Rohraußenwand und Behälterinnenwand erzielt. Weiterhin erstreckt sich das Rohr vorzugsweise über nahezu den gesamten Behälterinnenraum, so dass die beiden Rohröffnungen nur gering von der Behälterinnenwand beabstandet sind. Auf diese Weise wird eine besonders effiziente Strömung der Biomasse innerhalb des Rohres und des Behälters erzielt.

Die Erfindung erreicht den vorteilhaften Effekt, dass durch die bewinkte Strömung eine Scherkraft auf die Biomasse und an den Wänden des Behälters oder des Rohres anhaftende Biomassenteile ausgeübt wird, die eine Anhaftung ver meidet oder wieder ablöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Behälterwand und/oder die Rohrwand zur Einleitung der Wärme in die Biomasse erhitzt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist aber auch dann vorteilhaft einsetzbar, wenn beispielsweise eine Heizschlange oder ähnliches im Bereich zwischen Behälter und Rohr angeordnet sind oder die Erwärmung in anderer Weise erzielt wird.

Es ist besonders bevorzugt, genau ein Rohr innerhalb des Behälters anzuordnen. Bei dieser Ausführung wird ein einfacher und kostengünstig zu fertigender Aufbau erreicht. In bestimmten Anwendungen ist es auch vorteilhaft, mehrere Rohre innerhalb des Behälters anzuordnen. Der Vorteil mehrerer Rohre besteht insbesondere in der größeren zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehenden Fläche. Diese mehreren Rohre können nebeneinander angeordnet sein, in diesem Fall ist vorzugsweise auch für jedes Rohr eine Verdrängervorrichtung vorhanden. Die mehreren Rohre können auch ineinander, vorzugsweise koaxial, angeordnet sein. In diesem Fall kann im innersten Rohr eine Verdrängervorrichtung angeordnet sein und die Zwischenräume zwischen den mehreren Rohren können so miteinander verbunden sein, dass die durch die eine Verdrängervorrichtung verdrängte Biomasse diese Zwischenräume durchströmt.

Als Verdrängervorrichtungen kommen jegliche bekannte Arten von Pumpen oder Strömungsmaschinen in Betracht. Insbesondere kann ein strömungserzeugendes Rührwerk innerhalb des Rohres angeordnet werden oder es kann in anderer Weise eine mechanische Verdrängung der Biomasse aus dem Bereich des Rohres oder aus dem Bereich zwischen Rohr und Behälter erzielt werden, beispielsweise durch oszillierende Verdrängerplatten oder ähnliches.

Es hat sich gezeigt, dass zur Vermeidung von Anhaftungen kein permanenter Betrieb der Verdrängervorrichtung erforderlich ist, sondern lediglich in bestimmten Zeitabständen, die von der Bauweise von Behälter und Rohr, der Art der Biomasse und der Betriebstemperatur abhängen, eine Betätigung der Verdrängervorrichtung erfolgen muss, um eine Anhaftung weitestgehend zu vermeiden.

Eine erste vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Wand des Behälters in zumindest einem Bereich doppelwandig ausgeführt ist und der von den Doppelwänden eingeschlossene Zwischenraum ausgebildet ist, um von einem Heiz- und Kühlmedium durchströmt zu werden zum Erwärmen oder Abkühlen des biologischen Materials im Behälter. Diese Fortbildung ermöglicht eine besonders einfache Erwärmung des biologischen Materials und ist darüber hinaus vorteilhaft, da mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wirkungsvoll die Anhaftung von Biomasse auf der Wand des Behälters verhindert werden kann.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Wand des Rohres in zumindest einem Bereich doppelwandig ausgeführt ist und der von den Doppelwänden eingeschlossene Zwischenraum ausgebildet ist, um von einem Heiz- und Kühlmedium durchströmt zu werden zum Erwärmen oder Abkühlen des biologischen Materials im Behälter. Auch diese Ausführungsform ermöglicht eine kostengünstige Erwärmung oder Abkühlung der Biomasse und weist den Vorteil auf, dass durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Strömung erreicht wird, die wirkungsvoll Anhaftungen der Biomasse auf der Rohr-Innen- und Außenwand verhindert. Es ist besonders bevorzugt, sowohl die Behälterwand als auch die Rohrwand doppelwandig zum Erwärmen und Abkühlen der Biomasse auszubilden, um so eine große Oberfläche für die Übertragung der Wärme zu erzielen und folglich einen schnellen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist darüber hinaus den Vorteil auf, dass die Temperierungsmittel ein Abkühlen des biologischen Materials ermöglichen, wodurch die Vorbehandlungszeit wesentlich verringert werden kann und folglich ein wirtschaftlicherer Betrieb der Vorrichtung und der Biogasanlage ermöglicht wird.

Besonders bevorzugt ist es, wenn der Behälter und/oder das Rohr im Querschnitt kreisförmig sind. Diese Geometriewahl zeichnet sich dadurch aus, dass keine schwierig zu reinigenden Ecken oder Kanten vorhanden sind, in denen sich bevorzugt Biomasse anlagert oder sammelt.

Eine weitere vorteilhafte Fortbildung sieht vor, dass die Verdrängervorrichtung ein innerhalb des Rohres angeordnetes, parallel zur Längsachse des Rohres bewegbares Verdrängerelement umfasst. Dies stellt eine besonders robuste und wirkungsvolle Ausgestaltung der Verdrängervorrichtung dar. Vorzugsweise ist das Verdrängerelement innerhalb des Rohres reziprokierend hin und her bewegbar. Dabei kann das Verdrängerelement so +ausgebildet sein, dass in beiden Richtungen eine Verdrängung in gleicher Größenordnung erreicht wird oder dass in einer Bewegungsrichtung eine größere Verdrängungswirkung erzielt wird.

Dabei ist es bevorzugt, dass das Verdrängerelement eine Verdrängerplatte umfasst, deren Oberfläche quer zur Bewegungsrichtung liegt. Ein solches Verdrängerelement ist wartungsarm, kostengünstig in der Herstellung und erzielt eine wirksame Verdrängungswirkung.

Eine weitere Fortbildung der beiden vorgenannten Ausführungsformen sieht vor, dass das Verdrängerelement eine Verdrängerplatte umfasst, die so bemessen ist, dass ihre Außenkanten beabstandet zur Innenwand des Rohres angeordnet sind. Der Abstand zwischen den Außenkanten und der Innenwand ist dabei in Abhängigkeit der Gesamtabmessungen, der Führungsgenauigkeit der Verdrängerplatte und der Biomassenzusammensetzung zu wählen. Da eine Reinigung der Rohrinnenwand bereits durch die durch den Spalt strömende Biomasse erfolgt, ist es in den meisten Anwendungen nicht erforderlich, den Spalt besonders zu bemessen. In vielen Anwendungsfällen wird vorzugsweise ein geringes Spaltmaß eingestellt, wobei hierunter zu verstehen, dass zwischen Rohrinnenwand und Verdrängerplattenkante eine Spielpassung, (beispielsweise Verdrängerplattendurchmesser 1500mm und Rohrinnendurchmesser 1510mm) vorgesehen ist. In diesem Fall kann eine Reinigung der Rohrinnenwand durch die Verdrängerplatte selbst erzielt werden, eine Strömung von Biomasse durch den Spalt zwischen Verdrängerplatte und Rohrinnenwand ist nicht erforderlich.

Das Verdrängerelement kann weiter fortgebildet werden, indem das Verdrängerelement eine Verdrängerplatte umfasst, die eine Öffnung zum Durchtritt des biologischen Materials und eine beabstandet von dieser Öffnung an der Verdrän gerplatte befestigte Abdeckplatte aufweist, welche das durch die Öffnung durchtretende Material seitlich über die Verdrängerplatte ablenkt. Bei dieser Ausführungsform wird eine vorteilhafte Strömung der verdrängten Biomasse erzielt, die auch auf der Verdrängerplatte anhaftendes Biomaterial erfasst und durch Scherung abtrennt. Dieses Prinzip zur Vermeidung der Anlagerung von Biomaterial auf dem Verdrängerelement kann in vielfacher Gestalt realisiert werden, beispielsweise auch indem ein Verdrängerelement mit mehreren axial-radial ausgerichteten Kanälen vorgesehen wird. Weiterhin ist bei bestimmten Biomassen vorteilhaft, durch die Hubbewegung der Verdrängerplatte ein bewegliches Verdrängungselement anzutreiben, welches über die Abdeckplatte streicht und hierdurch Anhaftungen mechanisch beseitigt.

Schließlich ist es bei bestimmten Biomassen auch vorteilhaft, wenn das Verdrängerelement eine Verdrängerplatte umfasst, die eine Öffnung zum Durchtritt des biologischen Materials und ein Ventilelement zum Ausbilden eines Rückschlagventils für das durch die Öffnung hindurchtretende Material aufweist, insbesondere eine beweglich an der Platte befestigte Ventilplatte, welche die Öffnung in einer ersten Strömungsrichtung verschließt und in einer zweiten Strömungsrichtung freigibt. Hierdurch wird eine Wirkung des Verdrängerelementes in einer Richtung verstärkt gegenüber der anderen Richtung erzielt, wodurch eine besonders vorteilhafte Scherkraft auf die auf der Verdrängerplatte anhaftenden Biomassen erzielt wird, wenn die Verdrängerplatte reziprokierend betrieben wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das Verdrängerelement mit einem Aktuator, insbesondere einem Hydraulikzylinder gekoppelt ist zum Bewegen des Verdrängerelementes. Dabei kann als Aktuator beispielsweise ein pneumatisch oder ein hydraulisch betriebener, doppelt wirkender Zylinder verwendet werden. Alternativ sind auch Spindelantriebe oder ähnliches in bestimmten Anwendungen vorteilhaft.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird weiterhin durch eine eingangs genannte Hygienisierungsanlage gelöst, bei der die Temperierungsmittel ein Heiz- und Kühlmedium umfassen zum Übertragen von Wärme auf das biolo gische Material innerhalb des ersten Behälters bzw. zum Abtransport von Wärme aus dem biologischen Material innerhalb des ersten Behälters und dass ein erster Pufferspeicher bereitgestellt ist zum Zwischenspeichern des Heiz- und Kühlmediums. Die erfindungsgemäße Hygienisierungsanlage ermöglicht einen besonders effizienten Betrieb, indem das Heiz- und Kühlmedium im Pufferspeicher zwischengespeichert wird und für nachfolgende Aufwärm- oder Abkühlprozesse genutzt wird. Dabei kann das Heiz- und Kühlmedium im Pufferspeicher zusätzlich erwärmt oder zusätzlich abgekühlt werden, um eine gewünschte Betriebstemperatur zu erhalten. Als Heiz- und Kühlmedium kommt vorzugsweise Wasser in Frage.

Eine Fortbildung der erfindungsgemäßen Anlage mit einer doppelwandigen Behälterwand und/oder einer doppelwandigen Rohrwand besteht darin, dass der Pufferspeicher mit dem Doppelwand-Zwischenraum des Behälters und/oder des Rohres verbunden ist. In diesem Fall ist ein direkter Austausch des Heiz- und Kühlmediums zwischen dem Doppelwandzwischenraum und dem Pufferspeicher möglich. Dabei können in die Verbindungsleitung beispielsweise Pumpen zum Umwälzen des Heiz- und Kühlmediums und Ventile zum Regeln des Flusses eingesetzt sein.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn der erste Pufferspeicher ausgebildet ist, um ein Heiz- und Kühlmedium einer ersten Temperatur zu speichern, und dass ein zweiter Pufferspeicher bereitgestellt ist zum Speichern eines Heiz- und Kühlmediums einer zweiten Temperatur, die kleiner ist als die erste Temperatur. In diesem Fall werden wirkungsvoll Probleme vermieden, die auftreten, wenn ein Pufferspeicher zur Speicherung von warmen und kaltem Heiz- und Kühlmedium alternierend genutzt wird. Auf diese Weise kann aus jeweils einem der beiden Pufferspeicher das Heiz- und Kühlmedium entnommen werden zum Erwärmen bzw. Abkühlen des biologischem Materials.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn im ersten und/oder zweiten Pufferspeicher Mittel zum Erwärmen und/oder Kühlen des Heiz- und Kühlmediums vorgesehen sind. Auf diese Weise kann das gegebenenfalls abgekühlte oder erwärmte Heiz- und Kühlmedium weder auf die gewünschte Betriebstemperatur erwärmt bzw. abgekühlt werden.

Eine weitere vorteilhafte Fortbildung der erfindungsgemäßen Hygienisierungsanlage besteht darin, dass eine zweite Vorrichtung zum Hygienisieren biologischen Materials nach einem der Ansprüche 1 bis 10 bereitgestellt ist, deren Heiz- und Kühlmedium mit dem Heiz- und Kühlmedium der Temperierungsmittel der ersten Hygienisierungsvorrichtung in Verbindung stehen. Auf diese Weise wird einerseits ein doppelter Durchsatz an Biomasse durch die erfindungsgemäße Anlage ermöglicht und darüber hinaus ein vorteilhafter wirtschaftlicher Betrieb durch Austausch der Heiz- und Kühlmedien zwischen den beiden Hygienisierungsvorrichtungen ermöglicht. So kann bei alternierendem Betrieb, das heißt, die erste Vorrichtung erwärmt die Biomasse, während die zweite Vorrichtung die Biomasse abkühlt, eine besonders effiziente Nutzung der aus der abzukühlenden Biomasse abgeführten Wärme erreicht werden, indem das dadurch aufgewärmte Heiz- und Kühlmedium zum Aufwärmen der Biomasse im anderen Behälter genutzt wird.

Dementsprechend kann das durch den Erwärmungsvorgang abgekühlte Heiz- und Kühlmedium zum Abkühlen der Biomasse im anderen Behälter genutzt werden und auf diese Weise weitestgehend darauf verzichtet werden, die Heiz- und Kühlmedien gesondert zu erwärmen und abzukühlen.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Heiz- und Kühlmedium der Temperierungsmittel der zweiten Hygienisierungsvorrichtung mit dem ersten und/oder zweiten Pufferspeicher in Verbindung stehen. Durch den Pufferspeicher wird eine größere Prozessvariabilität erreicht und der Austausch des Heiz- und Kühlmediums zwischen den beiden Vorrichtungen muss nicht unmittelbar erfolgen, sondern kann durch einen Pufferspeicher zeitversetzt erfolgen. Dabei kann, wie zuvor beschrieben, insbesondere eine Erwärmung und/oder Abkühlung des Heiz- und Kühlmediums im Pufferspeicher erfolgen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Hygienisieren biologischer Materialien mit den Schritten: Einbringen des biologischen Materials in ei nen ersten Behälter, Erwärmen des biologischen Materials, wobei das biologische Material während der Erwärmung zumindest einmal mittels einer Verdrängervorrichtung, insbesondere einer Verdrängervorrichtung nach einem der Ansprüche 5-10, in Strömung versetzt wird und ein innerhalb des Behälters angeordnetes Rohr und einen Zwischenraum zwischen der Außenwand des Rohres und der Innenwand des Behälters durchströmt. Bei diesem Verfahren wird die Anhaftung von biologischem Material auf den Behälterwänden und gegebenenfalls den Rohrwänden weitestgehend vermieden.

Das Verfahren kann weiter fortgebildet werden, indem das biologische Material mittels eines Wärmetauschers mit einem Heiz- und Kühlmedium erwärmt und/oder abgekühlt wird, und dass das Heiz- und Kühlmedium nach erfolgter Erwärmung des biologischen Materials einem Wärmetauscher eines zweiten Behälters zugeführt wird zum Abkühlen von hygienisiertem biologischen Material in dem zweiten Behälter.

Eine weitere vorteilhafte Fortbildung sieht vor, dass das Heiz- und Kühlmedium nach erfolgter Abkühlung des biologischen Materials in dem zweiten Behälter wieder dem Wärmetauscher des ersten Behälters zugeführt wird zum Erwärmen von neu eingefülltem, zu hygienisierendem biologischen Material in dem ersten Behälter.

Eine weitere Fortbildung des Verfahrens besteht darin, dass das Heiz- und Kühlmedium nach erfolgter Abkühlung des biologischen Materials einem ersten Pufferspeicher zur Speicherung und gegebenenfalls zur Erwärmung des abgekühlten Heiz- und Kühlmediums zugeführt wird, aus dem es zur Erwärmung hygienisierten biologischen Materials wieder einem Wärmetauscher zugeführt wird.

Schließlich kann das Verfahren weiter fortgebildet werden, indem das Heiz- und Kühlmedium nach erfolgter Erwärmung des biologischen Materials einem zweiten Pufferspeicher zur Speicherung und gegebenenfalls zur Kühlung des abgekühlten Heiz- und Kühlmediums zugeführt wird, aus dem es zur Abkühlung hygienisierten biologischen Materials wieder einem Wärmetauscher zugeführt wird.

Bevorzugte Ausführungsformen werden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:
1 eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Leitungsnetz gemäß einer ersten Ausführungsform, und
3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Leitungsnetz gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Bezugnehmend zu 1 umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Behälter 10, der aus einer kreisförmigen Deckplatte 11 und einer trichterförmigen Bodenplatte 12 besteht, zwischen denen sich zylindrische, doppelwandige Seitenwände 13, 14 erstrecken.
Am tiefsten Punkt der trichterförmigen Bodenplatte 12 ist eine Behälteröffnung 15 angeordnet zum Ablassen des biologischen Materials.
Zwischen den Seitenwänden 13, 14 ist ein erster Hohlraum 20 ausgebildet, der von einem Heiz- und Kühlmedium durchströmt werden kann.
Innerhalb des Behälters 10 ist koaxial zu dessen Längsachse ein doppelwandig ausgeführtes Rohr 30 mit Seitenwänden 31, 32 angeordnet. Das Rohr 30 ist an seinen Stirnseiten oben und unten offen, so dass biologisches Material, welches in dem Innenraum des Behälters 10 eingefüllt ist, in den Innenraum des Rohres 30 sowohl von oben als auch von unten eintreten kann, wie durch die Pfeile 33a-d in 1 angezeigt.
Zwischen den doppelwandigen Seitenwänden 31, 32 des Rohres 30 ist ein zweiter Hohlraum 21 angeordnet, der gegen den Behälterinnenraum abgedichtet ist und der vorzugsweise über Verbindungsleitungen (nicht dargestellt in 1) mit dem ersten Hohlraum 20 verbunden ist. Der zweite Hohlraum 21 kann ebenfalls von einem Heiz- und Kühlmedium durchflossen werden.
Über die innere Seitewand 14 des Behälters 10 und die beiden Seitenwände 31, 32 des Rohres 30 kann ein Wärmeaustausch zwischen dem in den Hohlräumen 20, 21 befindlichen Heiz- und Kühlmediums und dem biologischen Material innerhalb des Behälters stattfinden.
Innerhalb des Rohres 30 ist eine Verdrängervorrichtung 40 angeordnet. Die Verdrängervorrichtung 40 umfasst eine Ringscheibe 41, deren Außendurchmesser geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser der inneren Wand 32 des Rohres 30. Die Ringscheibe 41 weist eine zentrale Bohrung auf und ist über mehrere kreisförmig um die Bohrung verteilte Stege 42 mit einer Abdeckplatte 43 verbunden. Auf diese Weise ist die Abdeckplatte 43 von der zentralen Bohrung in der Ringscheibe 41 beabstandet und lenkt biologisches Material, welches durch die zentrale Öffnung hindurchtritt oder in diese eintritt über die obere Fläche der Ringscheibe 41, wie durch die Pfeile 44a, b in 1 symbolisiert.
Die Abdeckplatte 43 ist mit einer Kolbenstange 51 eines hydraulischen Aktuators 50 verbunden, die koaxial zur Längsachse des Behälters 10 und des Rohres 30 liegt. Die Verdrängervorrichtung 40 kann mittels des Aktuators 50 parallel und koaxial zur Längsachse bzw. zur Rotationssymmetrieachse des Behälters 10 und des Rohres reziprokierend auf und ab bewegt werden. Hierbei wird biologisches Material innerhalb des Rohres 30 verdrängt und bewegt sich gemäß der Pfeile 33a-d und 44a, b. Durch diese Bewegung des biologischen Materials wird die Anhaftung an den Wänden 14, 31, 32 verhindert bzw. bereits bestehende Anhaftungen wieder abgelöst.
Bezugnehmend nun auf 2 ist eine Hygienisierungsvorrichtung dargestellt, welche einen ersten Behälter 110 und eine zweiten Behälter 210 umfasst. Die Behälter 110 und 210 sind vorzugsweise baugleich mit dem in 1 dargestellten Behälter 10.
Die ersten und zweiten Zwischenräume 120, 121, 220, 221 sind über eine Verbindungsleitung 310 im oberen Bereich und eine Verbindungsleitung 320 im unteren Bereich miteinander verbunden. In die Zwischenräume 120, 121 des ersten Behälters 110 kann über eine Zufuhr- bzw. Abfuhrleitung 330 Heiz- und Kühlmedium zugeführt bzw. abgeführt werden. In gleicher Weise kann in die Zwischenräume 220, 221 des zweiten Behälters 210 über eine Zufuhr- bzw. Abfuhrleitung 340 Heiz- und Kühlmedium zugeführt bzw. abgeführt werden.
Die Zufuhr- bzw. – Abfuhrleitungen 330, 340 sind über eine Förderpumpleitung 350 miteinander verbunden, in die zwei parallel geschaltete Förderpumpen 410, 420 mit vorgeschalteten Ventilen 430, 440 eingesetzt sind, zum Fördern des Heiz- und Kühlmediums zwischen den beiden Behältern 110, 210.
Die Hygienisierungsvorrichtung gemäß 2 umfasst weiterhin einen Pufferspeicher 500 zum Zwischenspeichern von erwärmtem bzw. abgekühltem Heiz- und Kühlmedium. Der Pufferspeicher 500 ist über eine Verbindungsleitung mit eingesetzter Förderpumpe 510 mit einer parallel zur Förderleitung 350 verlaufenden Speiseleitung 520 verbunden. Die Speiseleitung 520 ist über Absperrventile 530, 540 mit den Zufuhr- bzw. Abfuhrleitungen 330, 340 verbunden zum Zuführen von Heiz- und Kühlmedium aus dem Pufferspeicher in den ersten Behälter 110 oder den zweiten Behälter 210.
Der Pufferspeicher ist weiterhin an seinem unteren Ende über eine Verbindungsleitung 550 mit der unteren Verbindungsleitung 320 zwischen den beiden Behältern 110 und 210 verbunden, um Heiz- und Kühlmedium in den Pufferspeicher 500 zuführen zu können.
Die Hygienisierungsvorrichtung gemäß 2 wird nach dem folgenden Verfahren betrieben: Zunächst wird der Behälter 1 mit biologischen Materialien gefüllt. Hierauf folgend wird über die Förderpumpe 510 bei geöffnetem Absperrventil 530 über die Leitung 330 im Pufferspeicher 500 erwärmtes Wasser aus dem Pufferspeicher 500 in die Zwischenräume 120, 121 des ersten Behälters 110 eingelei tet. Dabei wird kaltes bzw. abgekühltes Wasser aus diesen Zwischenräumen über die Leitung 550 in den Pufferspeicher 500 gefördert.
Der Pufferspeicher 500 wird über einen Abgastauscher des Blockheizkraftwerkes der Biogasanlage erwärmt, so dass das darin befindliche Heiz- und Kühlmedium, also hier das Wasser, erwärmt wird.
In dem ersten Behälter 110 wird unter mehrmaliger reziprokierender Betätigung der Verdrängervorrichtung das biologische Material hygienisiert. Der Erwärmungsvorgang wird beendet, wenn der Behälterinhalt 70-75 Grad C° erreicht hat.
Hierauf folgend wird der zweite Behälter 210 mit biologischem Material befüllt. Das Heiz- und Kühlmedium aus den Zwischenräumen 120, 121 des ersten Behälters 110 wird nun über die Förderpumpe 420 in die Zwischenräume 220, 221 des zweiten Behälters gefördert und erwärmt dort das biologische Material. Zugleich wird kaltes bzw. abgekühltes Wasser aus den Zwischenräumen 220, 221 in die Zwischenräume 120, 121 gefördert und kühlt das bereits hygienisierte biologische Material im ersten Behälter ab. Durch den Wärmeaustausch über das zirkulierende Wasser zwischen den beiden Behältern 110, 210 wird die Biomasse im ersten Behälter 110 gekühlt und die Biomasse im zweiten Behälter erwärmt. Das Wasser in den Behälterzwischenräumen 120, 121 und 220, 221 gleicht sich dabei etwa soweit an, bis eine effektive weitere Abkühlung des Materials im ersten Behälter 110 und eine effektive weitere Erwärmung des Materials im zweiten Behälter nicht mehr erfolgen kann.
Um das biologische Material im zweiten Behälter 210 dann ebenfalls auf die erforderliche Hygienisierungstemperatur von 70-75 Grad C° zu bringen, wird über die Förderpumpe 510 bei geöffnetem Sperrventil 540 erwärmtes Heiz- und Kühlmedium aus dem Pufferspeicher 500 in die Zwischenräume 220, 221 zugeführt.
Bei ausreichender Abkühlung des biologischen Materials im ersten Behälter 110, das heißt bei Erreichen von etwas 40 Grad C°, kann das biologische Material aus dem ersten Behälter 110 abgeführt werden und dem Bioreaktor zugeführt werden. Hierauf folgend kann erneut biologisches Material in den Behälter 110 eingefüllt werden und der Hygienisierungszyklus beginnt von Neuem, wobei nun Heiz- und Kühlmedium aus den Zwischenräumen 220, 221 des zweiten Behälters in die Zwischenräume 120, 121 des ersten Behälters umgepumpt wird über die Förderpumpe 420.
Bezugnehmend auf 3 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hygienisierungsvorrichtung dargestellt, welche einen Hygienisierungsbehälter 1010 umfasst, der vorzugsweise baugleich ist mit den Behältern 110, 210.
Die zweite Ausführungsform umfasst weiterhin einen ersten Pufferspeicher 1100 und einen zweiten Pufferspeicher 1200, die über eine Ringleitung umfassend einen oberen Ringleitungsabschnitt 1020 und einen unteren Ringleitungsabschnitt 1030, miteinander verbunden sind.
In die obere Ringleitung 1020 sind zwei parallel geschaltete Förderpumpen 1040, 1050 mit vorgeschalteten Absperrventilen 1060, 1070 eingesetzt.
Die obere Ringleitung 1020 ist mit den Zwischenräumen 1120, 1121 des ersten Behälters 1010 verbunden. Die untere Leitung 1030 ist über eine Verbindungsleitung 1090 ebenfalls mit diesen Zwischenräumen verbunden.
Zwischen der Verbindungsleitung 1080 und dem Pufferspeicher 1100 ist eine weitere Förderpumpe 1110 mit Absperrventil 1111 angeordnet.
Der Pufferspeicher 1100 wird wiederum, wie der Pufferspeicher 500 gemäß 2, über einen Wärmetauscher mit Abgas des Blockheizkraftwerkes erwärmt. Der zweite Pufferspeicher 1200 ist über eine Umwälzpumpe 1300 mit einem Kühler 1310 verbunden, zum Kühlen des Heiz- und Kühlmediums im zweiten Pufferspeicher 1200.
Die erfindungsgemäße Hygienisierungsvorrichtung gemäß 3 wird nach dem folgenden Verfahren betrieben:
Der Behälter 1010 wird mit biologischem Material gefüllt und hierauf folgend wird dieses Material durch Fördern und Zirkulieren von Heiz- und Kühlmedium, also hier Wasser, aus dem ersten Pufferspeicher 1100 über die Förderpumpe 1110 auf 70-75 Grad C° erwärmt. Ist diese Temperatur erreicht, so wird das biologische Material mit kaltem bzw. abgekühltem Wasser aus dem zweiten Pufferspeicher 1200 über die Förderpumpe 1050 heruntergekühlt, wobei das bei diesem Abkühlvorgang erwärmte Wasser aus dem Behälter 1010 in den zweiten Pufferspeicher 1200 zurückgeführt wird.
Wenn das biologische Material auf etwa 37-38 Grad C° heruntergekühlt ist, kann es aus dem Behälter 1010 abgeführt werden und dem Bioreaktor zugeführt werden.
Hierauf folgend kann wiederum biologisches Material in den Behälter 1010 eingefüllt werden und dann zunächst mit dem zuvor erwärmten Wasser des zweiten Pufferspeichers 1200 erwärmt werden, welches sich hierbei wieder abkühlt. Ist mit dem Wasser aus dem zweiten Pufferspeicher 1200 keine weitere effektive Erwärmung des biologischen Materials mehr möglich, so wird es darauf folgend durch Zufuhr von Heiz- und Kühlmedium aus dem ersten Pufferspeicher 1100 auf die erforderliche Hygienisierungstemperatur von 70-75 Grad C° gebracht.
Ist diese Temperatur erreicht, so wird das zuvor abgekühlte Wasser aus dem zweiten Pufferspeicher 1200 zugeführt, um das biologische Material wieder herunterzukühlen auf eine Temperatur, mit der es dem Bioreaktor zugeführt werden kann. Dabei kann das Wasser – insbesondere bei hohen Außentemperaturengegebenenfalls vor und/oder während des Abkühlvorgangs der Biomasse über den Kühler 1310 heruntergekühlt werden, um so eine ausreichende Abkühlung des biologischen Materials zu erreichen.
Die Hygienisierungsvorrichtungen gemäß 2 und 3 erlauben auf diese Weise eine effiziente Nutzung der durch den zyklischen Aufwärme- und Abkühlbetrieb entstehenden Temperaturänderungen im Heiz- und Kühlmedium und eine schnelle Hygienisierung und darauffolgende Abkühlung der Biomasse, indem das Heiz- und Kühlmedium in den Pufferspeichern 500, 1100, 1200 zwischengespeichert wird für die nachfolgenden Aufwärm- bzw. Abkühlprozesse in dem Behälter 110, 210, 1100. Dabei wird stets der Umstand genutzt, dass mit dem durch den vorangegangenen Abkühlvorgang erwärmtes Wasser zum Erwärmen des Biomasse im darauffolgenden Zyklus genutzt werden kann und dass mit dem an der neu eingefüllten Biomasse abgekühlten Wasser eine Abkühlung der Biomasse nach der Hygienisierung erfolgen kann. Der Fachmann wird erkennen, dass abweichend von den zwei beispielhaft dargestellten Ausführungsformen eine Vielzahl anderer Ausführungsformen mit einem oder mehreren Pufferspeichern und Behältern ausgeführt werden können, ohne die erfindungsgemäßen Vorteile zu verlieren.

Claims

Vorrichtung zum Hygienisieren biologischer Materialien, umfassend – einen Behälter zum Aufnehmen des biologischen Materials und – Temperierungsmittel zum Erwärmen und/oder Abkühlen des biologischen Materials in dem Behälter, gekennzeichnet durch – ein innerhalb des Behälters angeordnetes Rohr, dessen Außenwand von der Innenwand des Behälters in zumindest einem Bereich beabstandet ist, und durch – eine Verdrängervorrichtung, die ausgebildet ist, um eine Strömung innerhalb des Rohres und durch den Bereich zwischen der Außenwand des Rohres und der Innenwand des Behälters zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand des Behälters in zumindest einem Bereich doppelwandig ausgeführt ist und der von den Doppelwänden eingeschlossene Zwischenraum ausgebildet ist, um von einem Heiz- und Kühlmedium durchströmt zu werden zum Erwärmen oder Abkühlen des biologischen Materials im Behälter.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand des Rohres in zumindest einem Bereich doppelwandig ausgeführt ist und der von den Doppelwänden eingeschlossene Zwischenraum ausgebildet ist, um von einem Heiz- und Kühlmedium durchströmt zu werden zum Erwärmen oder Abkühlen des biologischen Materials im Behälter.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter und/oder das Rohr im Querschnitt kreisförmig sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängervorrichtung ein innerhalb des Rohres angeordnetes, parallel zur Längsachse des Rohres bewegbares Verdrängerelement umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängerelement eine Verdrängerplatte umfasst, deren Oberfläche quer zur Bewegungsrichtung liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängerelement eine Verdrängerplatte umfasst, die so bemessen ist, dass ihre Außenkanten beabstandet zur Innenwand des Rohres angeordnet sind, vorzugsweise in geringem Abstand.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängerelement eine Verdrängerplatte umfasst, die eine Öffnung zum Durchtritt des biologischen Materials und eine beabstandet von dieser Öffnung an der Verdrängerplatte befestigte Abdeckplatte aufweist, welche das durch die Öffnung durchtretende Material seitlich ablenkt über die Verdrängerplatte.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängerelement eine Verdrängerplatte umfasst, die eine Öffnung zum Durchtritt des biologischen Materials und ein Ventilelement zum Ausbilden eines Rückschlagventils für das durch die Öffnung hindurchtretende Material aufweist, insbesondere eine beweglich an der Platte befestigte Ventilplatte, welche die Öffnung in einer ersten Strömungsrichtung verschließt und in einer zweiten Strömungsrichtung freigibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängerelement mit einem Aktuator, insbesondere einem Hydraulikzylinder gekoppelt ist zum Bewegen des Verdrängerelementes.
Anlage zum Hygienisieren biologischen Materials, umfassend eine erste Vorrichtung zum Hygienisieren biologischen Materials nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierungsmittel ein Heiz- und Kühlmedium umfassen zum Übertragen von Wärme auf das biologische Material innerhalb des Behälters bzw. zum Abtransport von Wärme aus dem biologischen Material innerhalb des Behälters und dass ein erster Pufferspeicher bereitgestellt ist zum Zwischenspeichern des Heiz- und Kühlmediums.
Anlage nach Anspruch 11, umfassend eine erste Vorrichtung zum Hygienisieren biologischen Materials nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferspeicher mit dem Doppelwand-Zwischenraum des Behälters und/oder des Rohres verbunden ist.
Anlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Pufferspeicher ausgebildet ist, um ein Heiz- und Kühlmedium einer ersten Temperatur zu speichern, und dass ein zweiter Pufferspeicher bereitgestellt ist zum Speichern eines Heiz- und Kühlmediums einer zweiten Temperatur, die kleiner ist als die erste Temperatur.
Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch Mittel zum Erwärmen und/oder Kühlen des Heiz- und Kühlmediums, insbesondere im ersten und/oder zweiten Pufferspeicher.
Anlage nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch ein zweite Vorrichtung zum Hygienisieren biologischen Materials nach einem der Ansprüche 1 bis 10, deren Heiz- und Kühlmedium mit dem Heiz- und Kühlmedium der Temperierungsmittel der ersten Hygienisierungsvorrichtung in Verbindung stehen.
Anlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Heiz- und Kühlmedium der Temperierungsmittel der zweiten Hygienisierungsvorrichtung mit dem ersten und/oder zweiten Pufferspeicher in Verbindung stehen.