DE102009034977A1

DE102009034977A1 - Kavitationsreaktor

Info

Publication number: DE102009034977A1
Application number: DE102009034977A
Authority: DE
Inventors: Dominik Maslak; Dirk Weuster-Botz
Original assignee: Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2011-02-03
Anticipated expiration: 2029-07-29
Also published as: EP2459307A2; DE102009034977B4; US20120222744A1; WO2011012186A3; WO2011012186A2

Abstract

Kavitationsreaktor zu hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierender Kavitationsblasen in einem Fluid, umfassend, einen Strömungskanal bildend und aufeinanderfolgend in Strömungsrichtung des Fluids angeordnet, einen zur Erhöhung einer Strömungsgeschwindigkeit ausgebildeten Beschleunigungsabschnitt, eine quer zur Strömungsrichtung angeordnete Blende mit einer Vielzahl von zur Erzeugung der Kavitationsblasen ausgebildeten Mikrodurchlässen, wobei über eine gesamte, auf einer angeströmten Seite der Blende definierte Strömungsquerschnittsfläche zumindest 10 Mikrodurchlässe pro cmausgebildet sind, einen zur Stabilisierung einer Oszillation der Kavitationsblasen ausgebildeten Stabilisierungsabschnitt und einen Kollabierungsabschnitt mit zumindest einer Aufweitung einer Strömungsquerschnittsfläche des Strömungskanals in Strömungsrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie einen das Verfahren anwendenden Kavitationsreaktor zur Erzeugung hydrodynamischer, homogener und oszillierender Kavitationsblasen. Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Desinfektion eines Fluides, bzw. der Manipulation von biologischen Membranen und Zellen sowie ein Verfahren zum Emulgieren oder zum Suspendieren oder zur Reaktionsbegünstigung zumindest zweier Stoffe.
Akustische Kavitation wird heutzutage in vielen verschieden Bereichen eingesetzt um stoffliche Umsetzungen und Reaktionen in wässrigen Lösungen zu beschleunigen oder erst zu ermöglichen. Auch die Möglichkeit biologische Zellen zu beeinflussen wir dabei diskutiert. Für die akustische Kavitation gibt es, besonders aus der medizinischen Ultraschall-Forschung, bereits mehr Modellvorstellungen und Maßstabsgesetze als für die hydrodynamische Kavitation. Ein wichtiges Ergebnis ist dabei, dass eine durch die Druckamplituden hervorgerufene Oszillation von Mikroblasen sowie neu hervorgerufene Kavitationsblasen einen wichtigen Einfluss auf die Zellmembran besitzen. Es wurde gezeigt dass diese oszillierenden Blasenfelder biologische Membranen kurzzeitig transient öffnen und schließen können, ohne dass die Zellen dabei größeren Schaden nehmen oder gar letal geschädigt werden. Abhängig von der Intensität der Kavitation bzw. der Druckamplitude und der Frequenz können ein Teil der Zellen jedoch auch dauerhaft geschädigt und auch abgetötet werden.
Die hydrodynamische Kavitation ist diesbezüglich noch nicht so weit entwickelt. Die Erzeugung der hydrodynamischen Kavitation beschränkt sich dabei auf Venturi-Düsen und deren verfahrenstechnische Beschreibung bzw. Modellierung beruft sich auf grundlegende strömungsmechanische und geometrische Zusammenhänge und Kennzahlen. Der biologisch interessante Aspekt der Blasenoszillation wird im Bereich der hydrodynamischen Kavitation nicht berücksichtigt. Hier dient nur die reine Intensität, beschrieben durch die Kavitationszahl, oder der Blasenkollapsdruck als Maßstab für die Effektivität.
Kavitation beschreibt das Phänomen der Dampfblasenbildung durch lokale Druckabsenkung. Es entspricht der Zustandsänderung einer Flüssigkeit in die Gasphase bei Temperaturen unter der Verdampfungstemperatur. Ausgelöst wird dieser Effekt meist an schon vorhandenen Mikro-Gasblasen oder anderen im Wasser vorhandenen Störstoffen wie z. B. Partikel oder mikrobiologischen Zellen. Die lokale Druckabsenkung kann zum einen durch wechselnden Schalldruck (akustisch) oder hydrodynamisch durch Erhöhung der Fließgeschwindigkeit bewirkt werden. Es entstehen meist Mischformen aus Dampf und Gasblasen bzw. liegen beide Formen in einer Kavitationsblase vor. So lange dann für den Dampfdruck günstige Druckbedingungen vorliegen, oder so lange schnell wechselnde Druckbedingungen vorliegen, durchlaufen die Blasen eine Zeit der Oszillation mit schnellen und starken Volumenänderungen. Wenn die Kavitationsblasen aber wieder in einen Bereich mit Überdruck (oberhalb des Dampfdrucks) geraten, kollabieren die meisten Blasen unter kurzfristiger und lokaler starker Druck- und Temperaturerzeugung. Dieser Effekt sowie der asphärische Kollaps in der nähe von festen Oberflächen mit Micro-Jet-Bildung führen zu den bekannten Schäden an Strömungsmaschinen.
Bei der akustischen Kavitation wird durch intensiven Schalleintrag mittels einer Sonotrode oder einem Schwinger entsprechend wechselnde Druckfelder im Wasser erzeugt. In den Druckminima dieser Schwingungen wird der Dampfdruck der Flüssigkeit erreicht oder unterschritten, so dass es zur Blasenbildung und zum Blasenwachstum kommt. Abhängig von der Druckamplitude und der Frequenz verändern sich die Eigenschaften dieser Dampf- und Gas-Mischblasen und sie durchlaufen entweder eine Phase der Oszillation oder kollabieren. Bei der medizinischen Ultraschalldiagnostik bzw. auch beim therapeutischen Einsatz werden gezielt stabilisierte Mikro-Gasblasen eingesetzt um eine höhere Anzahl an Initiationsgaskeimen oder oszillationsfähigen Gasblasen bereit zustellen.
Bei der hydrodynamischen Kavitation hängen die Initiierung und die Stärke der Kavitation (Anzahl und Heftigkeit der Dampfblasen) maßgeblich von der Strömungsgeschwindigkeit und der lokalen Turbulenz ab. Eine Initiierung für Wasser und wässrigen Lösungen bei 20°C und unter atmosphärischen Druckbedingungen ist schon ab einer Geschwindigkeit von 14 m s^–1 möglich. Für andere Flüssigkeiten als Wasser hängt dies stark von intrinsischen Faktoren wie ihrer Dicht, Viskosität und Dampfdruck ab. Qualitativ beschreiben lässt sich die Kavitationsneigung und auch die stärke der Kavitation durch die dimensionslose Kavitations-Kennzahl C_v:
Die Kavitationszahl C_v ist abhängig von der Differenz aus Umgebungsdruck P_oo und dem Dampfdruck P_d, dividiert durch die Dichte ρ der Flüssigkeit und dessen höchste Geschwindigkeit V_∞ in der Anströmung bzw. Umströmung eines Bauteils. Ab C_v ≈ 1 ist mit dem Einsetzen der Kavitation zu rechnen und für kleiner werdende Werte von C_v nimmt die Wahrscheinlichkeit und dann die Intensität der Kavitation zu.
Charakteristisch für die hydrodynamische Kavitation ist oft eine turbulenzabhängige pulsierende Erzeugung der Kavitation an entsprechenden Oberflächen und Strömungsabrissen bzw. Wirbeln. Diese Erzeugung überlagert sich nach außen gesehen zu einer scheinbar kontinuierlichen Kavitation. In Wirklichkeit lösen sich jedoch meist immer Schwärme an Blasen und Blasenfeldern in hoher Frequenz an entsprechenden Oberflächen bzw. Kannten ab, bis sich wieder eine neue Front aufbaut. Dies führt zu einer tatsächlich inhomogenen und unkontinuierlichen Beaufschlagung der Strömung mit Kavitation bzw. Dampfblasen.
Aus Ergebnissen der medizinischen Ultraschallforschung ist eine kavitationsinduzierte vorübergehende Perforation von Gewebezellen bekannt, die beispielsweise dazu genutzt wird, Stoffe in Zellen einzuschleusen. Hierbei spielt jedoch mehr das Ausmaß einer zellnahen Blasenoszillation (schnelle periodische Volumenänderungen verursacht durch passende Frequenz und Amplitude des Ultraschalls) und eine möglichst hohe Anzahl und homogene Verteilung an Blasenkeimen eine wichtigere Rolle, als einzelne radikale Blasenkollapse. Die Blasen werden oft als stabilisierte Mikroblasen oder auch bekannt als Ultraschall-Kontrastmittel zur Verfügung gestellt. Die Anregung dieser Mikroblasen erfolgt durch Ultraschall geeigneter Intensität und Frequenz. Durch die schnellen Schwingungen und Druckschwankungen der oszillierenden Blasen kann die Zellmembran kurzfristig perforiert werden und damit kurzfristig stabile hydrophile Poren in der Zellmembran geschaffen werden. Durch diese Poren kann dann ein Diffusionsvorgang oder auch Stofftransport in die Zelle erheblich beschleunigt werden.
Abhängig von der Intensität des Ultraschalls zeigen sich auch radikale Blasenkollapse, die Zellen auch nachhaltig Beschädigen und sogar letal zerstören können.
Ferner ist bekannt, dass sich Kavitation dazu eignet um Zellen aufzuschließen oder auch die Zellhüllen und Membranen spezifisch zu zerstören. Die Schäden an z. B. Hefezellen werden durch mikroskopische Aufnahmen dargestellt. Es wurden bisher Untersuchungen zum Zellaufschlussverhalten und zur Proteinfreisetzung bzw. Produktfreisetzung unter verschiedenen Prozessbedingungen und biochemischen Einflussfaktoren durchgeführt, wie z. B. dem Wachstumszustand von E. coli.
Aus der DE 102 14 689 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerstören zellularer Strukturen in Suspensionen von Mikroorganismen bekannt. Hier werden die energetischen Vorteile der hydrodynamischen Kavitation gegenüber der akustischen Kavitation zur Desintegration von Agglomeraten aus Biomasse und der Zellaufschluss zur Freisetzung von organischer Masse für eine bessere Verwertung bzw. Abbau von Abwasserschlämmen beschrieben. Prinzip zur Erzeugung von Kavitation ist hierbei eine Lavaldüse mit definierten Querschnitten.
In vorbekannten Vorrichtungen entsteht die Kavitation meist durch Strömungsabriss. Dadurch entsteht ein zeitlich inhomogener Zustand der Dampfblasenbildung mit einem Wechsel aus drei Zuständen: Aufbau von Blasen-Clustern, Ablösen der Strömung und der Blasen-Cluster und kurzzeitige homogene Umströmung des Bauteils oder der Kante ohne Blasenbildung. Die initiative Generierung von Dampfblasen erfolgt meist in den turbulenten Strömungsfeldern in direkter Nähe von Strömungsabrisskanten. Ein Grossteil der Strömung bleibt von dieser initiativen Generierung an Kavitationsblasen verschont. Erst die turbulente Dynamik der umgebenden Blasen-Cluster vermag eine weitere spontane Kavitationsbildung in diesen Zonen zu bewirken. Ferner können bekannte Lösungen ein zeitlich oder auch räumlich ausgedehntes Oszillationsfeld für Blasen nicht aufrecht erhalten. Bei vorbekannten Methoden folgt nach der Blasengenerierung eine drastische Querschnittserweiterung mit Druckanstieg und damit der Kollaps der Blasen. Somit ist keine effiziente Kavitationsausbeute mit geringen Druckverlusten möglich. Geometrien die als kurzer Spalt aufgebaut sind verursachen stark ausgeprägte Turbulenzfelder und Reibung an Rohrwandungen, die sehr viel Energie, meist nutzlos in Form von Reibung und Wärme, dissipieren. So fungiert z. B. eine Engstelle, wie sie vorbekannt zur Kavitationsblasenerzeugung genutzt wird, auch als Drossel zur Reduzierung des statischen Drucks. D. h., dass an dieser Drossel in erster Linie die Energie ohne Kavitationsbildung vernichtet wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren sowie einen das Verfahren anwendenden Kavitationsreaktor zur Erzeugung hydrodynamischer, homogener und oszillierender Kavitationsblasen bereitzustellen. Die Aufgabenstellung umfasst die Optimierung der hydrodynamischen Kavitation, um zum einen eine möglichst homogene Blasenverteilung in einem Flüssigkeitsvolumen und zum anderen stabile, oszillierende Blasenfelder über einstellbare Zeiträume zu erzeugen. Hierdurch soll eine, im Vergleich zu bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur hydrodynamischen oder akustischen Kavitationserzeugung, bessere und auch wirtschaftlichere Möglichkeit zur Zellmanipulation, Reaktionsbegünstigung oder Emulsionsherstellung erreicht werden. Des Weiteren umfasst die Aufgabe auch den Einsatz für die Mischung von Flüssigkeiten und Feststoffen zur besseren Stabilisierung oder Bildung einer Suspension. Des weiteren zur Zerkleinerung und Desagglomeration von Partikeln und zur allgemeinen Steigerung von Reaktionen die eine starke Durchmischung und gezielten Energieeintrag bedingen wie z. B. die katalytische Umsetzung von Stoffen und diffusionslimitierte Reaktionen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmalskombination der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung auf.
Somit wird die Aufgabe gelöst durch einen Kavitationsreaktor zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierender Kavitationsblasen in einem Fluid, umfassend, einen Strömungskanal bildend und aufeinanderfolgend in Strömungsrichtung des Fluides angeordnet, einen zur Erhöhung einer Strömungsgeschwindigkeit ausgebildeten Beschleunigungsabschnitt, eine quer zur Strömungsrichtung angeordnete Blende mit einer Vielzahl von zur Erzeugung der Kavitationsblasen ausgebildeten Mikrodurchlässen, wobei über eine gesamte, auf einer angeströmten Seite der Blende definierte Strömungsquerschnittsfläche zumindest 10 Mikrodurchlässe pro cm² ausgebildet sind, einen zur Stabilisierung einer Oszillation der Kavitationsblasen ausgebildeten Stabilisierungsabschnitt, und einen Kollabierungsabschnitt mit zumindest einer Aufweitung einer Strömungsquerschnittsfläche des Strömungskanals in Strömungsrichtung. Die Blende, an welcher die Kavitation entsteht, umfasst somit sehr viele Mikrodurchlässe bzw. Mikrolöcher. Betrachtet man die der Strömung zugewandte Fläche der Blende, so erkennt man hier zumindest 10 dieser Mikrodurchlässe pro cm². Vorteilhafterweise sind die Mikrodurchlässe gleichmäßig über die komplette angeströmte Fläche verteilt. Vor dem Beschleunigungsabschnitt wird ferner der Druck des Fluides gegenüber einem Normaldruck am Ende des Kavitationsreaktors mittels bevorzugt einer Pumpe erhöht. Im Beschleunigungsabschnitt wird die Geschwindigkeit des Fluidstroms bevorzugt um ein vielfaches erhöht.
Die erfindungsgemäße neuartige Geometrie verbindet in optimaler Weise eine energetisch effiziente und sowohl räumlich als auch zeitlich homogene Generierung an Kavitation und Dampfblasen. Ferner wird das erzeugte Blasenfeld in einem Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeit stabil in einem dynamisch oszillierenden Zustand gehalten und gezielt erst sehr spät zu einem finalen Kollaps gezwungen. Somit werden die theoretisch beschriebenen Anforderungen an eine Zellmanipulation bzw. Membranperforierung durch Kavitation in einem sehr hohen Maße erfüllt.
In vorteilhafter Ausgestaltung des Kavitationsreaktors ist vorgesehen, dass sich die Strömungsquerschnittsfläche im Beschleunigungsabschnitt in Strömungsrichtung stetig verengt. Zum Betrieb des Kavitationsreaktors wird somit eine konstant laufende Pumpe vor dem Beschleunigungsabschnitt verwendet. Durch den sich verengenden Strömungsquerschnitt vor der Blende wird dann das Fluid beschleunigt.
Des Weiteren ist es von Vorteil, dass der Beschleunigungsabschnitt einen sich in Strömungsrichtung verengenden, bis zur Blende reichenden, innenliegenden Düsenkonus umfasst, so dass die Strömungsquerschnittsflächen im Beschleunigungsabschnitt und die angeströmte Strömungsquerschnittsfläche der Blende ringförmig ausgebildet sind. Die Blende kann vorteilhaft am Ende dieses Düsenkonus befestigt sein. Dadurch ist eine stabile Lagerung der Blende möglich. Des Weiteren ermöglicht der Düsenkonus eine sehr starke Verengung der Strömungsquerschnittsfläche im Beschleunigungsabschnitt.
Ferner ist es bevorzugt, dass der Düsenkonus vor dem Beschleunigungsabschnitt zu einer gegen die Strömungsrichtung zeigenden Spitze zusammenläuft. Durch diese entgegen der Strömungsrichtung zeigenden Spitze wird das anströmende Fluid möglichst turbulenzfrei in Ringform aufgespaltet.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung des Kavitationsreaktors ist vorgesehen, dass der Beschleunigungsabschnitt zur Erzeugung eines Dralls im Fluid schraubenlinienförmige Wandelemente umfasst. Durch solch eine schraubenlinienförmige Strömungsführung wird ein Drall zur besseren Vermischung der Strömungslinien herbeigeführt. Des Weiteren wird beispielsweise bei Beimischung eines Desinfektionsfluides vor der Blende ein Vermischen des Hauptfluides mit dem Desinfektionsfluid verbessert.
In weiterer bevorzugter Ausbildung ist vorgesehen, dass die Strömungsquerschnittsfläche über den Beschleunigungsbereich, d. h., vom Anfang des Beschleunigungsbereichs bis zum Anfang der Blende, um 70% bis 99%, insbesondere 80% bis 96%, insbesondere 90% bis 93%, abnimmt. Dadurch ist eine sehr starke Beschleunigung des Fluides gewährleistet, welche zur Erzeugung der Kavitationsblasen vonnöten ist.
Ferner bevorzugt ist es, dass die angeströmte Strömungsquerschnittsfläche der bevorzugt ringförmigen Blende zumindest 26, insbesondere zumindest 50, insbesondere zumindest 100, insbesondere zumindest 150, insbesondere zumindest 200 Mikrodurchlässe aufweist. Je mehr Mikrodurchlässe die Blende aufweist, desto mehr Abrisskanten stehen zur Kavitationsblasenbildung zur Verfügung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Kavitationsreaktors haben die Mikrodurchlässe jeweils eine Durchlassfläche < 3 mm², insbesondere < 2 mm², insbesondere zwischen 0,01 mm² und 1 mm², insbesondere zwischen 0,1 mm² und 0,2 mm². Die Durchlassfläche der Mikrodurchlässe ist bei der Betrachtung senkrecht zur angeströmten Strömungsquerschnittsfläche der Blende zu messen, wobei hier die lichte Durchlassfläche ausschlaggebend ist. Entscheidend ist hier, dass die meisten Mikrodurchlässe den angegebenen Größenordnungen entsprechen. Leichte Abweichungen bzw. vereinzelt größere Mikrodurchlässe stehen der erfindungsgemäßen vorteilhaften Erzeugung der Kavitationsblasen nicht entgegen und sind somit auch als bevorzugte Ausgestaltungen zu sehen oder sogar gezielt gewünscht um verschiedene Größen an Blasen und Blasenfelder homogen zu generieren, sofern eine anzahlmäßig gleichmäßige Verteilung der zuvor beschriebenen Größen an Mikrodurchlässe über die gesamte Blendenebene gewährt ist.
Des Weiteren bevorzugt ist es, dass über die gesamte, auf der angeströmten Seite der Blende definierte Strömungsquerschnittsfläche zumindest 20, insbesondere zumindest 50, insbesondere zumindest 100, insbesondere zumindest 200, insbesondere zumindest 1000, Mikrodurchlässe pro cm² ausgebildet sind. Je mehr Mikrodurchlässe pro angeströmter Fläche vorhanden sind, desto mehr Abrisskanten stehen zur Kavitationsblasenbildung zur Verfügung. Insbesondere bei einer äußerst großen Anzahl an Abrisskanten fluktuiert die die Blasen- und Kavitationsgenerierung über mehr Mikrodurchlässen und die Blasencluster reißen zu unterschiedlichsten Zeitpunkten ab, so dass ein quasi, räumlich wie zeitlich, stationäres und homogenes Kavitationsblasenfeld entsteht
Ferner bevorzugt ist es, dass die Mikrodurchlässe der Blende rund oder eckig, insbesondere quadratisch oder rautenförmig, ausgebildet sind. Durch die unterschiedliche Ausgestaltung der Mikrodurchlässe kann eine bestimmte Anzahl an Mikrodurchlässen pro Fläche bei gegebener Größe angeordnet werden. Dabei ist es sowohl bevorzugt, innerhalb einer Blende Mikrodurchlässe unterschiedlicher Form vorzusehen, als auch eine Blende mit Mikrodurchlässen ausschließlich in einer Form auszubilden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass 25% bis 65%, insbesondere 35% bis 55%, insbesondere 40% bis 50%, der angeströmten Strömungsquerschnittsfläche der Blende von der lichten Durchlassfläche der Mikrodurchlässe eingenommen wird. Dadurch wird sichergestellt, dass einerseits sehr viele Abrisskanten zur Kavitationsbildung zur Verfügung stehen und andererseits die Blende durch einen großen Anteil an Mikrodurchlässen der Strömung relativ wenig Widerstand entgegensetzt. Dadurch verringert sich die Energieaufnahme des gesamten Systems.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Blende als Mikrogitter oder Mikrogewebe ausgebildet ist. Durch die Verwendung eines Mikrogitters oder Mikrogewebes können sehr viele kleine Mikrodurchlässe auf engstem Raum konzentriert werden. Vorteilhafterweise wird dabei für das Mikrogitter oder Mikrogewebe ein Material mit einem Durchmesser von 0,01 mm bis 1,0 mm, insbesondere von 0,1 mm bis 0,3 mm, insbesondere von 0,2 mm, verwendet. Die bevorzugten Mikrodurchlässe haben eine Maschenweite von 0,1 mm bis 1,7 mm, insbesondere 0,2 mm bis 0,8 mm, insbesondere 0,4 mm. Die Maschenweite ist dabei als die lichte Weite der Masche definiert. Bei quadratischer Ausgestaltung der Mikrodurchlässe ist somit die Maschenweite die lichte Weite zwischen zwei benachbarten parallelen Drähten oder Gewebefäden. Weitere Ausgestaltungen können rautenförmige und gänzlich parallele Ausrichtung der Mikrodurchlässe in der Blendenebene vorsehen. Dabei werden bevorzugt parallele Drähte oder Stäbe verwendet. Besonders bevorzugt wird für das Material des Mikrogitters oder Mikrogewebes ein Metalldraht mit rundem oder eckigem oder dreieckförmigem Querschnitt verwendet. Durch die besondere Ausgestaltung des Drahtquerschnittes kann die Bedingung der Kavitation und insbesondere die Turbulenz und Wirbelbildung und damit das Ablösen der Kavitationsbläschen vom Gitter beeinflusst werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Draht mit einem gleichschenkligen, dreieckförmigen Querschnitt verwendet, wobei der Draht derart im Gitter angeordnet ist, dass die Spitze des Dreiecks sich entgegen der Strömungsrichtung wendet und somit die Strömung entlang der beiden Schenkel aufgespaltet wird.
Alternativ zu der Ausgestaltung der Blende als Mikrogitter oder Mikrogewebe ist es bevorzugt, die Blende als Mikrolochplatte auszubilden, insbesondere bei großen Strömungsquerschnitten kann bevorzugt die stabilere Mikrolochplatte anstatt der Mikrogitter oder des Mikrogewebes verwendet werden. Die Mikrodurchlässe können auch hierbei die oben beschriebenen Eigenschaften aufweisen, in ihrer Form quadratisch, rautenförmig oder rechteckig zu sein bzw. als eindimensionale Spalten ausgebildet sein. Die axiale Ausgestaltung kann dabei auch Vorzugsweise in Form von in Strömungsrichtung spitz zulaufenden Dreiecken gestaltet sein. Die Dicke der Mikrolochplatte soll dabei vorzugsweise das 0,1-fachen bis 50-fachen eines Durchmessers oder der Kantenlänge eines quadratischen oder rechteckigen Mikrodurchlasses betragen, insbesondere das 0,3-fachen bis 5-fachen, insbesondere das 0,5-fachen bis 2-fache betragen. Alternativ dazu ist es auch möglich, ein Mikrogitter oder ein Mikrogewebe bevorzugt mit einem Gestänge zu verstärken, so dass auch diese Ausgestaltung bei großen Strömungsquerschnitten stabil angewendet werden kann. Als eine weitere bevorzugte Ausgestaltung ist ein poröse Material aufzuführen. So kann anstatt von Mikrolochplatten oder Mikrogittern auch ein poröses Material die Blende bilden. Hierbei sind insbesondere äußerst kleine Mikrodurchlässe auf engstem Raum zu realisieren.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kavitationsreaktors nimmt die Strömungsquerschnittsfläche über den Stabilisierungsabschnitt leicht zu oder ist durchwegs konstant. Dieser nur sehr leichten Änderung des Strömungsquerschnitts bzw. des konstanten Strömungsquerschnitts steht nicht entgegen, dass aufgrund konstruktiver Ausgestaltung kurz nach der Blende eine geringe sprungartige Strömungsquerschnittserweiterung stattfinden kann.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Strömungsquerschnittsfläche zu Beginn des Stabilisierungsabschnitts 100% bis 200%, insbesondere 110% bis 150%, insbesondere 120% bis 130%, der angeströmten Strömungsquerschnittsfläche der bevorzugt ringförmigen Blende entspricht. Die Aufweitung gegenüber der durchströmbaren Fläche der Mikrodurchlässe beträgt dabei vorzugsweise 200%–1000%, insbesondere 250%–600%, insbesondere 280%–300%. Die axiale Länge dieses Stabilisierungsabschnitts beträgt vorzugsweise das 3-fache bis 75-fache, vorzugsweise das 5-fache bis 45-fache, vorzugsweise das 7-fache bis 15-fache des Rohrdurchmessers diesen Abschnitts. Durch diese relativ geringe Aufweitung nach der Blende werden einerseits die Kavitationsblasen stabil oszillierend gehalten, andererseits haben auch die Kavitationsblasen genügend Raum, um sich homogen zu verteilen.
Dem entgegen weitet sich in dem Kollabierungsabschnitt, welcher sich an den Stabilisierungsabschnitt direkt anschließt, die Strömungsquerschnittsfläche auf. Bevorzugt ist es dabei, dass sich die Strömungsquerschnittsfläche im Kollabierungsabschnitt in einer großen Stufe um das 10–30 fache der Strömungsfläche des Stabilisierungsabschnitts erweitert und/oder in mehreren kleinen Stufen, vorzugsweise in den Stufen von dem 0,01-fachen bis 1-fachen, insbesondere um das 0,1-fache bis 0,3-fache des Durchmessers des Stabilisierungsabschnitts und/oder mit einem konstanten Öffnungswinkel und/oder mit verschiedenen stetig oder unstetig ineinander übergehenden Öffnungswinkeln aufweitet, vorzugsweise Winkel von 2°–20°, insbesondere Winkel von 4°–10°. Insbesondere auch durch das Vorsehen verschiedener Stufen der Aufweitung kann ein definiertes und diskretes Ende der Kavitationsblasen realisiert werden.
Diese Aufweitung des Strömungsquerschnitts bzw. der Strömungsquerschnittsflächen im Kollabierungsabschnitt kann entweder radial symmetrisch oder schraubenförmig erfolgen. Bei der schraubenförmigen Ausgestaltung folgt dann beispielsweise die Kante an einer der Stufen einer schraubenlinienförmigen Mantellinie des Kollabierungsabschnittes.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass der Kavitationsreaktor einen in Strömungsrichtung direkt vor dem Beschleunigungsabschnitt angeordneten Vorlaufabschnitt mit Strömungsgleichrichtern zur Beruhigung des Fluides umfasst. Die bereits beschriebene, in Strömungsrichtung zeigende Spitze des Düsenkonus erstreckt sich dabei in diesen Vorlaufabschnitt hinein.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierender Kavitationsblasen in einem Fluid, umfassend die folgenden Schritte in angegebener Reihenfolge: Beschleunigen des Fluids, Anströmen einer Blende mit einer Vielzahl von Mikrodurchlässen mit dem Fluid zur Erzeugung der Kavitationsblasen, wobei über eine gesamte, auf einer angeströmten Seite der Blende definierte Strömungsquerschnittsfläche zumindest 10 Mikrodurchlässe pro cm² ausgebildet sind, Stabilisieren einer Oszillation der Kavitationsblasen, und Aufweiten einer Strömungsquerschnittsfläche des Fluids entlang der Strömungsrichtung um die Kavitationsblasen zu kollabieren.
Die vorteilhaften Ausgestaltungen, wie sie im Rahmen des erfindungsgemäßen Kavitationsreaktors diskutiert wurden, finden selbstverständlich auch entsprechende Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierender Kavitationsblasen in einem Fluid.
Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Desinfektion eines Fluids, umfassend das soeben beschriebene Verfahren zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierenden Kavitationsblasen, wobei vor dem Anströmen der Vielzahl von Mikrodurchlässen das Fluid mit Desinfektionsmittel, insbesondere Desinfektionsfluid, versetzt wird. In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass vor dem Versetzen des Fluides mit Desinfektionsmittel und/oder nach dem Aufweiten des Strömungsquerschnitts eine Keimzahl im Fluid bestimmt wird. Dadurch kann insbesondere gemessen werden, ob durch die Kavitation ausreichend Keime abgetötet wurden. Bevorzugt kann entsprechend dieser Messungen der Fluidkreislauf gesteuert werden. So kann bevorzugt die Anpassung der Kavitationsbedingungen bzw. die Menge an Desinfektionsmittel, sowie ein eventuell erforderlicher erneuter Durchlauf des Kavitationsreaktors bzw. ein Durchlaufen eines nachgeschalteten weiteren Kavitationsreaktors geregelt werden.
Die bereits diskutierten vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kavitationsreaktors finden selbstverständlich auch entsprechende Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Desinfektion eines Fluides.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zum Emulgieren oder zum Suspendieren oder zur Reaktionsbegünstigung zumindest zweier Stoffe, insbesondere zweier Flüssigkeiten oder einer Flüssigkeit und eines Feststoffes oder einer Flüssigkeit und eines Gases, umfassend das bereits beschriebene Verfahren zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierender Kavitationsblasen, wobei das Fluid vor dem anströmen der Blende aus den zumindest zwei verschiedenen Stoffen zusammengesetzt wird. Insbesondere wird dem Fluid Ethanol und/oder Wasser und/oder oder eine Hilfsstoff zugesetzt. Durch die Kavitation können kleinste Einheiten der zu vermischenden Flüssigkeiten und/oder Feststoffpartikel durchwirbelt werden, so dass eine Zerkleinerung der Tröpfchen und/oder Feststoffeinheiten entsteht, die zu einer stabile Emulsion oder Suspension führen. Des Weiteren erhöht sich durch die Kavitation die Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten, so dass diese optimal miteinander reagieren können, bzw. der Stofftransport über die Phasengrenze begünstigt wird.
Die bereits beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kavitationsreaktors finden selbstverständlich auch entsprechende Anwendung auf das Verfahren zum Emulgieren oder zur Reaktionsbegünstigung von diffusionslimitierten oder katalytischen Reaktionen die durch eine hohe Durchmischung und Turbulenz positiv beeinflusst werden. Des weiteren zur Beeinflussung von biologischen Materialien, insbesondere biologischen Zellen und deren Zellhüllen sowie Membranen.
Die Idee der energetisch effektiven Erzeugung von zeitlich und auch räumlich homogenen Kavitationsblasenfeldern sowie die optimale technische Umsetzung bilden den Kern dieser Erfindung. Die Verwendung hydrodynamisch generierter Blasenoszillationen zur Zellperforierung ist somit nicht zuletzt durch den neuartigen Ansatz der Strömungsführung und der Kombination von hydrodynamischen Eigenschaften mit bewusst eingesetzten technischen Elementen möglich. Die Übertragung des Grundlagenwissens aus der medizinischen Ultraschallforschung, um die biologische Wirkung oszillierender Blasen, hinein in die Zellmanipulation mittels hydrodynamischer Kavitation, bedurfte einiger neuartiger konzeptioneller Ansätze. Da zum einen die Generierung von homogenen Blasenfeldern nicht wie in der Ultraschallforschung durch gezielte Zugabe von Mikrobläschen erfolgen kann, und zum anderen die Verweilzeit und Intensität nicht durch die Amplitude und Frequenz eines Ultraschall-Strahlers gesteuert werden kann. Diese Eigenschaften werden aber erfindungsgemäß durch gezielte Kombination von physikalischen und strömungstechnischen Konzepten zu einer technisch realisierbaren Lösung gebracht.
Praktisch angewendet werden kann der zellperforierende Effekt von oszillierenden Kavitationsblasen vorteilhafterweise in der Kombination mit Desinfektionsmitteln. Die meisten Desinfektionsmittel können die Membran der Zelle nicht oder nur mit hohem Diffusionsdruck bzw. hoher Konzentration passieren. Die Wirkung ist somit auf die Oberfläche beschränkt, obwohl der beste Wirkort in der Bakterienzelle wäre, z. B. an der DNA oder RNA oder intrazellulären Enzymen und Enzymkomplexen, und dort schneller zur letalen Inaktivierung führen würde. Insbesondere von Vorteil ist eine Kombination von Chlordioxid mit oszillierender Kavitation. Hier erfolgt eine Steigerung der Inaktivierung, da durch die transiente Perforierung der Zellmembran das Chlordioxid besser und schneller an den Wirkort in der Zelle diffundieren kann. Bevorzugt wird vor der Druckerhöhung das Desinfektionsmittel aus einer Vorlage mittels Dosierpumpe in den Hauptstrom, in angepasster Menge, dosiert. In der Pumpe entsteht hierbei schon eine ideale Vormischung des Desinfektionsmittels. Nach der Druckerhöhung wird der Kavitationsreaktor durchlaufen und anschließend noch eine entsprechende Verweilzeit, die zur gewünschten Inaktivierung führt, gewährt.
Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zur hydrodynamisch generierten kurzfristigen Zell- und Membranmanipulierung, umfassend das Verfahren zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierender Kavitationsblasen, in der Art der transienten Membranperforierung zur Steigerung der Permeabilität für alle Stoffe die sonst keine oder nur geringe Permeabilität aufweisen würden.
Die bereits diskutierten vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahren zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierender Kavitationsblasen finden selbstverständlich auch entsprechende Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren zur hydrodynamisch generierten kurzfristigen Zell- und Membranmanipulierung.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in der begleitenden Zeichnung genauer erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Kavitationsreaktor gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 eine Detailansicht, inkl. Schnittansicht des Kavitationsreaktors gemäß dem Ausführungsbeispiel,
3 einen Vergleich zwischen dem Kavitationsreaktor gemäß Ausführungsbeispiel, und anderen Möglichkeiten der Kavitationserzeugung,
4 die Kavitationszahl über dem Volumenstrom im Kavitationsreaktor gemäß dem Ausführungsbeispiel,
5 eine schematische Darstellung der Zellperforierung mit Hilfe des Kavitationsreaktors gemäß dem Ausführungsbeispiel,
6 ein Verfahren zur Desinfektion eines Fluides unter Verwendung des Kavitationsreaktors gemäß dem Ausführungsbeispiel, und
7 ein Diagramm zur Darstellung der Effizienz der Desinfektion mit dem Kavitationsreaktor gemäß dem Ausführungsbeispiel.
1 zeigt einen Kavitationsreaktor 1 gemäß Ausführungsbeispiel. Die Anwendung bezieht sich auf wässrige Lösungen die gezielt mit Bakterien angeimpft worden sind. Die Dimensionierung des Reaktors erfolgte dabei für einen Pilot-Labormaßstab. Die behandelbaren Volumenströme variieren dabei von 0,3 L s^–1–0,5 L s^–1 bei Druckverlusten von 2,5 bar bis 10 bar. Das System ist offen gestaltet und unterliegt somit noch dem atmosphärischen Druck. Die Temperatur der wässrigen Lösung war dabei 20°C. Der Rohrquerschnitt vor und nach dem Kavitationsreaktor beträgt dabei 20 mm. Sowohl der Reaktor als auch der Vor- und Nachlauf sind aus hydraulisch glattem Edlestahl (V4A, Oberflächenrauhigkeit < 2 μm) gefertigt. Der Kavitationsreaktor 1 in 1 umfasst dabei, in einer Strömungsrichtung 4 angeordnet, einen Beschleunigungsabschnitt 5, eine zur Strömungsrichtung 4 senkrechte Blende 6, einen Stabilisierungsabschnitt 7 und einen Kollabierungsabschnitt 8. Der Beschleunigungsabschnitt 5, die Blende 6, der Stabilisierungsabschnitt 7 und der Kollabierungsabschnitt 8 schließen direkt aneinander an und bilden einen Strömungskanal 3. In diesem Strömungskanal 3 fließt das Fluid vom Beschleunigungsabschnitt 5 zum Kollabierungsabschnitt 8. Dabei werden an der Blende 6 Kavitationsbläschen 2 erzeugt. Die Kavitationsbläschen 2 sind äußerst klein und können dadurch in 1 lediglich schematisch dargestellt werden.
Der Beschleunigungsabschnitt 5 umfasst einen Düsenkonus 9. Dieser Düsenkonus 9 dient zur weiteren Verengung des Strömungsquerschnitts entlang der Strömungsrichtung 4 und ist rotationssymmetrisch zu einer Mittenachse 10 des Strömungskanals 3 angeordnet. Der Düsenkonus 9 endet direkt mit Beginn der Blende 6. Dadurch ist es möglich, dass die Blende 6 mit einer Schraube 19 (2) auf das stirnseitige Ende des Düsenkonus 9 aufgeschraubt werden kann. Mit seinem Außenumfang stützt sich die Blende 6 an einem Gitteranschlag 18 (2).
Der Kollabierungsabschnitt 8 umfasst zunächst vier kleinere aufeinanderfolgende Stufen 20 und daraufhin vier größere aufeinanderfolgende Stufen 21 zur Querschnittserweiterung. Das Ende des Kollabierungsabschnitts 8 ist als Flansch 22 ausgebildet.
Die 2 zeigt einen Ausschnitt des Kavitationsreaktors 1 gemäß Ausführungsbeispiel sowie einen Schnitt A-A. In der Schnittdarstellung ist gut zu sehen, dass die Blende 6, ausgebildet als Mikrogitter, in der Mitte am Düsenkonus 9 aufliegt und verschraubt ist. Eine äußere, umlaufende Kante der Blende 6 liegt auf dem Gitteranschlag 18 auf. Dadurch entsteht zwischen dem Gitteranschlag 18 und dem Düsenkonus 9 eine angeströmte Strömungsquerschnittsfläche der Blende 6 in Ringform.
In den 1 und 2 sind ferner die folgenden Durchmesser verzeichnet: Ein erster Durchmesser 11 zeigt einen Anfangsdurchmesser des Düsenkonus 9 zum Beginn des Beschleunigungsabschnitts 5. Ein zweiter Durchmesser 12 zeigt ebenfalls am Anfang des Beschleunigungsabschnittes 5 den maximalen Innendurchmesser des Beschleunigungsabschnittes 5. Dieser zweite Durchmesser 12 verengt sich entlang der Strömungsrichtung 4 bis zum Ende des Beschleunigungsabschnittes 5 zu einem dritten Durchmesser 13. Der erste Durchmesser 11 verengt sich entlang der Strömungsrichtung 4 bis zum Ende des Düsenkonus 9 bzw. bis zum Ende des Beschleunigungsabschnittes 5 bis zum vierten Durchmesser 14. Die Differenz zwischen dem dritten Durchmesser 13 und dem vierten Durchmesser 14 definiert eine Ringfläche. Diese Ringfläche wiederum ist die angeströmte Strömungsquerschnittsfläche der Blende 6. Ferner zeigt der Schnitt in 2 einen Gesamtdurchmesser 15 der eingesetzten Blende 6. Da jedoch die Blende 6 sowohl am Gitteranschlag 18 als auch am Düsenkonus 9 aufliegt, kann nur ein Teil der Mikrodurchlässe 23 zur angeströmten Strömungsquerschnittsfläche der Blende 6gezählt werden und auch nur dieser Teil der Mikrodurchlässe 23 dient der Kavitationsblasenbildung.
Mit einem im Wesentlichen konstanten sechsten Durchmesser 16 ist der Stabilisierungsabschnitt 7 ausgebildet. Dieser sechste Durchmesser 16 steigt sodann sprungweise entlang des Kollabierungsabschnitts 8 bis zum siebten Durchmesser 17 am Ende des Kollabierungsabschnitts 8 an.
Die in den 1 und 2 vorgestellte Geometrie bewirkt, im Gegensatz zu allen anderen bekannten Apparaturen und Geometrien, die bereits beschriebene vorteilhafte Generierung der homogenen, oszillierenden Kavitation z. B. zur Membranporierung bzw. Zellmanipulation.
Nach einer Beschleunigung der Strömung in der sich sanft verengenden Düse mit wenig Druckverlust durch Staupunkte, erfolgt bei hoher Strömungsgeschwindigkeit die Passage eines kleinen Ringspaltes an der Blende 6, ausgebildet als Mikro-Gitter, über den ganzen Querschnitt. Die feine Struktur dieses Gitters verursacht nun homogen über den ganzen Ringspalt verteilt feine Kavitationsblasen 2 und Blasen-Cluster. Da die Generierung einzelner Blase an vielen verschiedenen feinen Gitterpunkten stattfindet, kommt es weder zu einem periodischen Ablösen der gesamten Strömung noch zu einer zeitlich inhomogen Kavitationsgenerierung. Vielmehr kommt es zur fluktuativen Bildung von Blasenschwärmen über dem gesamten Gitterbereich, die sich in der Nachlaufstrecke bzw. im Stabilisierungsabschnitt 7 auch zu einer zeitlich homogenen Verteilung vermischen. Dieser Stabilisierungsabschnitt 7 ist zunächst als Rohrstück mit weiterhin konstant engem Querschnitt ausgestaltet, um die Strömungsgeschwindigkeit weiterhin hoch genug zu halten. Somit ist der statische Druck weiterhin niedrig genug, um die oszillierenden Kavitationsblasen 2 stabil zu halten. Die Kavitationsblasen 2 haben somit eine längere Verweilzeit in der Apparatur und können auch mehrere hundert Oszillationen durchlaufen. Der Auslauf bzw. der Kollabierungsabschnitt 8 gestaltet sich in einer langsamen Querschnittserweiterung, in der der statische Druck wieder ansteigt und die Kavitationsblasen 2 final zu einem Kollaps gezwungen werden. Abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit fällt dieser Bereich auch auf immer größer werdende Querschnittsbereiche bzw. verlängert sich der Bereich der Blasenoszillation. In diesem Kollabierungsabschnitt 8 werden die typischen Druckwellen freigesetzt, wie sie aus der herkömmlichen Kavitationserzeugung bekannt sind. Damit werden zusätzlich noch mal kurzfristig hohe Energien und Scherbeanspruchungen bereitgestellt.
In bevorzugter Erweiterung des Kavitationsreaktors 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass in Strömungsrichtung 4 vor dem Beschleunigungsabschnitt 5 ein Vorlauf vorgesehen ist. In diesem Vorlauf befinden sich die Auftrennung und die Beruhigung des Volumenstroms auf den Ringspalt mittels einer Spitze und/oder mittels Strömungsgleichrichtern. Bevorzugt geschieht dies bei einem Durchmesser von ca. 20 mm über eine Länge von 75 mm.
Der erste Durchmesser 11 beträgt im Ausführungsbeispiel 10 mm, der zweite Durchmesser 12 beträgt 20 mm, der dritte Durchmesser 13 liegt bei 6,4 mm und der vierte Durchmesser 14 bei 4 mm. Der Beschleunigungsabschnitt 5 erstreckt sich dabei über eine Länge von 75 mm.
Die verwendete Maschenweite des Mikrogitters der Blende 6 beträgt im Ausführungsbeispiel 0,4 mm bei einer Drahtstärke von 0,2 mm. Daraus ergibt sich eine freie Gitterfläche von 44%. Zur ausreichenden Stabilisierung der Blasenoszillation beträgt der sechste Durchmesser 16 5,6 mm und der Stabilisierungsabschnitt 7 erstreckt sich über 40 mm. Die vier kleinen Stufen 20 des Kollabierungsabschnitts 8 erhöhen den Querschnitt alle 5 mm in Stufen von 0,2 mm. Die großen Stufen 21 erhöhen den Querschnitt alle 10 mm in Stufen von 1 mm.
In Ergänzung zu der dargestellten Variante des Kavitationsreaktors 1 kann an den Flansch 22 am Ende des Kollabierungsabschnitts 8 bevorzugt ein Auslauf mit einem anfänglichen Durchmesser von 10 mm und einer Erweiterung auf 20 mm vorgesehen werden.
Des Weiteren kann bevorzugt insbesondere der Querschnittsanstieg im Kollabierungsabschnitt 8 schraubenförmig ausgestaltet sein, so dass ein sehr sanfter Druckanstieg realisiert wird und somit in axialer Richtung eine gestreckte Kollapszone entsteht.
Trotz des komplexen Aufbaus dieses neuartigen Kavitationsreaktors 1 besticht er durch eine sehr effiziente Art der Energieumsetzung in Kavitation und lange stabile Blasenfelder. Im passenden Betriebspunkt benötigt er eine Druckdifferenz von nur 3,0–3,5 bar.
In 3 wird die energetische Effizienz des erfindungsgemäßen Kavitationsreaktors mit anderen Typen an Kavitationsgeneratoren in ähnlicher Dimensionierung, bzgl. Volumenstrom und freier Querschnittsfläche, verglichen. 3 zeigt dabei eine Auftragung der erreichbaren Kavitationszahl C_v über der zu erbringenden hydraulischen Leistung in kWh pro m³ behandeltem Wasser. Damit lassen sich die Effizienzen von Kavitationsapparaturen auch für verschiedene Volumenströme gut vergleichen, da in dieser Auftragung der Druckverlust und der Volumenstrom gekoppelt sind und die Effizienz direkt an der erreichbaren Kavitationszahl ablesbar wird. Die hydraulische Leistung entspricht hier dem Produkt aus Volumenstrom und Druckverlust. Je niedrigere C_v-Werte mit möglichst niedrigem Energieeintrag erreichbar sind, desto besser ist die Umsetzung der Energie in die Kavitation, d. h. je weiter links unten in 3 die entsprechende Kurve verläuft, desto effektiver ist zugehörige Kavitationserzeugung.
Die erste Kurve 24 zeigt die Messung am erfindungsgemäßen Kavitationsreaktor 1 gemäß Ausführungsbeispiel. Die zweite Kurve 25 zeigt eine Kavitation mit zu Vergleichszwecken entworfener 12-fach-Lochblende, wobei je Loch ein Durchmesser von 1,0 mm vorgesehen ist und sich eine freie Durchflussfläche von 9,5 mm² ergibt. Eine dritte Kurve 26 zeigt Messergebnisse einer Lochblende mit nur einem Loch und Durchmesser 3,3 mm und damit freier Durchflussfläche von 8,6 mm². Eine vierte Kurve 27 zeigt Messergebnisse an einer herkömmlichen Venturidüse, bei verwendetem Durchmesser 3,3 mm und einer Länge von 100 mm. Bei der Kavitationszahl von 0,2 ist ein Betriebspunkt 28 des Kavitationsreaktors 1 gemäß Ausführungsbeispiel eingezeichnet.
Der Vergleich zeigt dass der erfindungsgemäße Kavitationsreaktor 1 im Betriebspunkt 28 (C_v ~ 0,2) eine deutlich höhere Effizienz in der Kavitationsausbeute aufweist als eine Lochblende mit großen und wenigen Löchern oder eine einfache Venturidüse. Nur bei sehr hohen Volumenströmen und Energieeinträgen werden ähnliche Wirkungsgrade erreicht. Die beschriebenen Vorteile von homogenen, oszillierenden Blasenfeldern werden aber lediglich von der erfindungsgemäßen Variante ereicht.
Das Diagramm in 4 zeigt eine Messung am Kavitationsreaktor 1 gemäß Ausführungsbeispiel und stellt dabei die Kavitationszahl C_v über dem Volumenstrom in Ls^–1 dar. Eine fünfte Kurve 29 zeigt druckkorrigierte Werte der Kavitationszahl C_v an der Blende 6. Eine sechste Kurve 30 zeigt den Verlauf der Kavitationszahl über dem Volumenstrom im Kavitationsreaktor 1 am Ende des Stabilisierungsabschnitts 7 bei dem Durchmesser 6 von 5,6 mm.
Die höhere Effizienz im Betriebspunkt 28 begründet sich in der besonderen Eigenschaft der homogenen Blasengenerierung in der Gitterebene. Wie mit 4 dargestellt wird, liegt der Betriebspunkt 28 bei einem Volumenstrom von ca. 0,32 L/s bei vollständiger Kavitationsausbildung im Stabilisierungsabschnitt 7. In diesem Betriebspunkt 28 würde eine normale Venturidüse mit einem Durchmesser von 5,6 mm (ähnlich dem sechsten Durchmesser 16) noch nicht kavitieren. Der C_v-Wert läge noch zu hoch bei ca. 1,3 und die Kavitation setzt nicht ein.
Im Betrieb des erfindungsgemäßen Kavitationsreaktors 1 zeigt sich unter Verwendung verschiedener Volumenströme, dass ab ca. 0,2 L/s eine Kavitation ab der Blende 6 einsetzt. Steigert man den Volumenstrom auf einen Wert von 0,315 L/s erweitert sich die Kavitation schlagartig aus der Gitterebene hinaus bis weit in den Stabilisierungsabschnitt 7, obwohl dies theoretisch bei einer Kavitationszahl von ca. 1,4 für diesen Bereich noch nicht möglich wäre. Erst ab den ersten Erweiterungen des Kollabierungsabschnitts 8 werden die Blasen 2 zu einem Kollaps gezwungen. Bis dahin erstreckt sich ein homogenes Feld aus oszillierenden Kavitationsblasen 2, welches sogar unter nicht-kavitativen Bedingung aufrechterhalten wird. Steigert man den Volumenstrom weiter, so erstreckt sich die Kavitationszone immer weiter in den sich öffnenden Konus. Der Blasenkollaps geschieht dann z. B. erst im Bereich des 7,0 oder 8,0 mm Querschnitts.
Praktisch angewendet werden kann der zellperforierende Effekt von oszillierenden Kavitationsblasen 2 in der Kombination mit Desinfektionsmitteln. Die meisten Desinfektionsmittel können die Membran der Zelle nicht oder nur mit hohem Diffusionsdruck bzw. hoher Konzentration passieren. Die Wirkung ist somit auf die Oberfläche der Zelle beschränkt, obwohl der beste Wirkort in der Bakterienzelle, z. B. an der DNA oder RNA bzw. intrazellulären Enzymen und Enzymkomplexen, wäre und dort schneller zur letalen Inaktivierung führen würde.
5 zeigt eine schematische Darstellung der Zellperforierung mittels hydrodynamischer Kavitation. Hierbei ist eine Zellmembran 32 dargestellt. Außerhalb der entsprechenden Zelle befindet sich der Außenraum 31. Innerhalb der Zelle befindet sich der Innenraum 33. Des Weiteren ist im rechten Bereich der 5 eine oszillierende Blase 34 mit minimalem und gestrichelt dargestelltem maximalen Durchmesser dargestellt. Durch Oszillieren der Blase 34 wird die Zellmembran 32 zumindest temporär geöffnet, so dass Wirkstoff in den Innenraum 33 eindringen kann oder vom Innenraum 33 in den Außenraum 31 ausströmen kann.
Am Beispiel von Chlordioxid konnte dies am Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik der TU-München im Versuch mit Escherichia coli auch bestätigt werden. Die 5 veranschaulicht den Mechanismus, der der Steigerung der Inaktivierungs-Effizienz zu Grunde liegt. Durch Kombination von Chlordioxid mit oszillierender Kavitation ist somit eine Steigerung der Inaktivierung zu beobachten, da durch die transiente Perforierung der Zellmembran 32 das Chlordioxid besser und schneller an den Wirkort in der Zelle diffundieren kann.
6 zeigt einen schematischen Verfahrensablauf zur Desinfektion eines Fluides mittels des Kavitationsreaktors 1 gemäß Ausführungsbeispiel. Dabei ist entlang der Strömungsrichtung 4 zunächst eine erste Probenentnahme 35 zur Keimzahlbestimmung und daraufhin eine Druckerhöhungsvorrichtung 36 vorgesehen. Nach dieser Druckerhöhungsvorrichtung 36, ausgebildet als Pumpe, schließt sich der Kavitationsreaktor 1 an. Nach dem Kavitationsreaktor 1 ist eine Halte/Einwirkzeit 37 vorgesehen. Zuletzt erfolgt eine zweite Probenentnahme 38 zur Keimzahlbestimmung nach der Kavitation. Zwischen der ersten Probenentnahme 35 und der Druckerhöhung 36 wird mittels einer Dosierpumpe 40 Chlordioxid als Desinfektionsmittel 39 aus einem Vorratsbehälter in den Hauptfluidstrom eingeleitet.
Der prinzipielle Prozessverlauf ist in 6 dargestellt. Vor der Druckerhöhung wird das Desinfektionsmittel 39 aus einer Vorlage mittels der Dosierpumpe 40 in den Hauptstrom, in angepasster Menge, dosiert. In der Dosierpumpe 40 entsteht hierbei schon eine ideale Vormischung des Desinfektionsmittels 39. Nach der Druckerhöhung 36 wird der Kavitationsreaktor 1 durchlaufen und anschließend noch die entsprechende Halte/Einwirkzeit 37, die zur gewünschten Inaktivierung führt, gewährt.
7 zeigt ein Diagramm mit der Keimzahl in koloniebildende Einheiten ml^–1 über der Zeit in Minuten zur Darstellung der effizienten Desinfektionsmethode gemäß 6. Die gestrichelte Linie 41 in 7 zeigt eine spezifische Inaktivierungsrate gemäß Standardinaktivierung für E. coli bei 0,3 mg L^–1 Chlordioxid. Die vier Messpunkte 42 hingegen zeigen die Messergebnisse bei Anwendung des Verfahrens gemäß 6.
Mit den Ergebnissen gemäß 7 kann gezeigt werden, dass nach der Passage durch den Kavitationsreaktor 1 eine höhere Inaktivierung erzielbar ist als in der alleinigen Behandlung mit Chlordioxid 39. Es wurden die Postinkubationen, also die zeitliche Inaktivierung nach Passage des Kavitationsreaktors 1 (C_v = 0,2 bei 0,32 L s^–1) mit der Inaktivierungsrate 41 von 0,85 min^–1 (Laut Literatur die Konzentrations-Zeit-Spezifische Inaktivierung für 99% Abtötung bei 20°C für E. coli und Chlordioxid von 0,70 min·mg L^–1) unter Berücksichtigung gleicher Reaktionsbedingungen verglichen. Es zeigt sich, dass bei der Kombination von Chlordioxid 39 mit Kavitation die Inaktivierungsrate erheblich gesteigert ist und die 2,3-fache Inaktivierung von 2,0 pro Minute erreicht wird, bzw. mit weniger als der halben Konzentration an Chlordioxid 39 derselbe Effekt erreichbar ist (Gemessene Konzentrations-Zeit-Spezifische Inaktivierung für 99% Abtötung ist 0,30 min·mg L^–1).
Mit der Kombination von Chlordioxid 39 und dem erfindungsgemäßen Kavitationsreaktor 1 lassen sich über 50% an Chlordioxid 39 einsparen. Die dafür einzusetzenden Energiekosten (ca.
Prozesswasser) und Investitionskosten sind gering gegenüber den ersparten Chemikalienkosten. Durch Optimierung der Prozessbedingungen und Prozessführung kann die Einsatzmenge an Chlordioxid 39 weiter gesenkt werden. Damit eröffnet sich auch ein großes Einsatzspektrum für viele weitere Bereiche der Entkeimung von Prozesswässern, die bis jetzt noch zu hohe oder unerwünschte Mengen an Desinfektionsmitteln benötigten. Ökologisch gesehen ergeben sich nicht nur für Chlordioxid 39 sondern generell in Kombination mit auch anderen Desinfektionsmitteln einige ökologische Vorteile. Hervorzuheben ist z. B. eine geringere Belastung der Umwelt, sowohl bei der Herstellung der Chemikalien als auch bei der Belastung während und nach der Anwendung. Die chemische Belastung des Prozesswassers reduziert sich um die Hälfte, so dass viel weniger Nebenreaktionen mit schädlicher Produktbildung ablaufen. Für viele Desinfektionsmittel vereinfacht sich ferner die Handhabung und Bevorratung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10214689 A1 [0012]

Claims

Kavitationsreaktor (1) zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierender Kavitationsblasen (2) in einem Fluid, umfassend, einen Strömungskanal (3) bildend und aufeinanderfolgend in Strömungsrichtung (4) des Fluides angeordnet, – einen zur Erhöhung einer Strömungsgeschwindigkeit ausgebildeten Beschleunigungsabschnitt (5), – eine quer zur Strömungsrichtung (4) angeordnete Blende (6) mit einer Vielzahl von zur Erzeugung der Kavitationsblasen ausgebildeten Mikrodurchlässen (23), wobei über eine gesamte, auf einer angeströmten Seite der Blende (6) definierte Strömungsquerschnittsfläche zumindest 10 Mikrodurchlässe (23) pro cm² ausgebildet sind, – einen zur Stabilisierung einer Oszillation der Kavitationsblasen (2) ausgebildeten Stabilisierungsabschnitt (7), und – einen Kollabierungsabschnitt (8) mit zumindest einer Aufweitung einer Strömungsquerschnittsfläche des Strömungskanals (3) in Strömungsrichtung (4).
Kavitationsreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strömungsquerschnittsfläche im Beschleunigungsabschnitt (5) in Strömungsrichtung (4) stetig verengt.
Kavitationsreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsabschnitt (5) einen sich in Strömungsrichtung (4) verengenden, bis zur Blende (6) reichenden, innen liegenden Düsenkonus (9) umfasst, so dass die Strömungsquerschnittsfläche im Beschleunigungsabschnitt (5) und die angeströmte Strömungsquerschnittsfläche der Blende (6) ringförmig ausgebildet sind.
Kavitationsreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkonus (9) vor dem Beschleunigungsabschnitt (5) zu einer gegen die Strömungsrichtung (4) zeigenden Spitze zusammen säuft.
Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsabschnitt (5) zur Erzeugung eines Dralls im Fluid schraubenlinienförmige Wandelemente umfasst.
Kavitationsreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsquerschnittsfläche über den Beschleunigungsabschnitt (5) um 70% bis 99%, insbesondere um 80% bis 96%, insbesondere um 90% bis 93% abnimmt.
Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die angeströmte Strömungsquerschnittsfläche (5) der Blende (6) zumindest 26, insbesondere zumindest 50, insbesondere zumindest 100, insbesondere zumindest 150, insbesondere zumindest 200 Mikrodurchlässe (23) aufweist.
Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrodurchlässe (23) jeweils eine Durchlassfläche kleiner 3 mm², insbesondere kleiner 2 mm², insbesondere zwischen 0,01 mm² und 1 mm², insbesondere zwischen 0,1 mm² und 0,2 mm² aufweisen.
Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die gesamte, auf der angeströmten Seite der Blende (6) definierte Strömungsquerschnittsfläche zumindest 20, insbesondere zumindest 50, insbesondere zumindest 100, insbesondere zumindest 1000 Mikrodurchlässe (23) pro cm² ausgebildet sind.
Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrodurchlässe (23) der Blende (6) rund oder rechteckig, bis hin zu eindimensional parallelen Schlitzen, insbesondere quadratisch oder rautenförmig, ausgebildet sind.
Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 25% bis 65%, insbesondere 35% bis 55%, insbesondere 40% bis 50% der angeströmten Strömungsquerschnittsfläche der Blende (6) von den Mikrodurchlässen (23) eingenommen wird.
Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (6) als Mikrogitter oder Mikrogewebe ausgebildet ist.
Kavitationsreaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material des Mikrogitters oder Mikrogewebes einen Durchmesser von 0,01 mm bis 1,0 mm, insbesondere von 0,1 mm bis 0,3 mm, insbesondere 0,2 mm aufweist, und die Mikrodurchlässe mit einer Maschenweite von 0,1 mm bis 1,7 mm, insbesondere 0,3 mm bis 0,8 mm, insbesondere 0,4 mm ausgebildet sind.
Kavitationsreaktor nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Mikrogitters oder Mikrogewebes als Draht mit rundem oder eckigem oder dreiecksförmigem Querschnitt ausgebildet ist.
Kavitationsreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (6) als Mikrolochplatte ausgebildet ist.
Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsquerschnittsfläche über den Stabilisierungsabschnitt (7) konstant ist oder leicht stetig in Strömungsrichtung (4) zunimmt.
Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsquerschnittsfläche zu Beginn des Stabilisierungsabschnitts (7) 100% bis 200%, insbesondere 110% bis 150%, insbesondere 120% bis 130% der angeströmten Strömungsquerschnittsfläche der Blende (6) entspricht.
Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsquerschnittsfläche zu Beginn des Stabilisierungsabschnitts (7) 200% bis 1000%, insbesondere 250% bis 600%, insbesondere 280% bis 300% einer durchströmbaren Fläche aller Mikrodurchlässe (23) entspricht.
Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge des Stabilisierungsabschnitts (7) dem 3 bis 75-fachen, insbesondere dem 5 bis 35-fachen, insbesondere dem 7–15fachen eines Strömungsdurchmessers (16) im Stabilisierungsabschnitt (7) entspricht.
Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strömungsquerschnittsfläche im Kollabierungsabschnitt (8) in einer großen Stufe (21) und/oder in mehreren kleinen Stufen (20) und/oder mit einem konstanten Öffnungswinkel und/oder mit verschiedenen stetig oder unstetig ineinander übergehenden Öffnungswinkeln aufweitet.
Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitung der Strömungsquerschnittsfläche im Kollabierungsabschnitt (8) radialsymmetrisch oder schraubenförmig ausgebildet ist.
Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen in Strömungsrichtung (4) direkt vor dem Beschleunigungsabschnitt (5) angeordneten Vorlaufabschnitt mit Strömungsgleichrichtern zur Beruhigung des Fluids.
Verfahren zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierender Kavitationsblasen (2) in einem Fluid, umfassend die folgenden Schritte in angegebener Reihenfolge: – Beschleunigen des Fluids, – Anströmen einer Blende (6) mit einer Vielzahl von Mikrodurchlässen (23) mit dem Fluid zur Erzeugung der Kavitationsblasen (2), wobei über eine gesamte, auf einer angeströmten Seite der Blende (6) definierte Strömungsquerschnittsfläche zumindest 10 Mikrodurchlässe (23) pro cm² ausgebildet sind, – Stabilisieren einer Oszillation der Kavitationsblasen (2), und – Aufweiten einer Strömungsquerschnittsfläche des Fluids entlang der Strömungsrichtung (4) um die Kavitationsblasen (2) zu kollabieren.
Verfahren zur Desinfektion eines Fluids, umfassend ein Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei vor dem Anströmen der Vielzahl von Mikrodurchlässen (23) das Fluid mit Desinfektionmittel (39) versetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Versetzen des Fluides mit Desinfektionsmittel (39) und/oder nach dem Aufweiten des Strömungsquerschnitts eine Keimzahl im Fluid bestimmt wird.
Verfahren zum Emulgieren oder zum Suspendieren oder zur Reaktionsbegünstigung zumindest zweier Stoffe, insbesondere zweier Flüssigkeiten oder einer Flüssigkeit und eines Feststoffes oder einer Flüssigkeit und eines Gases, umfassend ein Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei das Fluid vor dem anströmen der Blende (6) aus den zumindest zwei verschiedenen Stoffen zusammengesetzt wird.
Verfahren zur hydrodynamisch generierten kurzfristigen Zell- und Membranmanipulierung, umfassend ein Verfahren gemäß Anspruch 23, in der Art der transienten Membranperforierung zur Steigerung der Permeabilität für alle Stoffe die sonst keine oder nur geringe Permeabilität aufweisen würden.