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Die Erfindung betrifft einen selbstgetriebenen Trommelseparator und eine Separationsanlage mit dem Trommelseparator.
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Die Kultivierung von Mikroorganismen im industriellen Maßstab hat in den letzten Jahren vielseitige Anwendungen gefunden. So werden Mikroorganismen gezüchtet, um Biomasse zur Stromgewinnung oder zur Produktion von Biodiesel herzustellen. Im Zuge der Bemühungen den weltweiten Kohlenstoffdioxidausstoß zu reduzieren, werden außerdem photosynthetisch aktive Mikroorganismen zur Fixierung von Kohlenstoffdioxid aus Abgasen eingesetzt.
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Für die Kultivierung von Mikroorganismen, wie beispielsweise Algen oder Cyanobakterien, werden sowohl Bioreaktoren als auch Flachbettanlagen (Aquakulturen) verwendet. Die Mikroorganismen werden in einer geeigneten Nährlösung kultiviert, die Wasser, eine Kohlenstoffquelle sowie gegebenenfalls eine Energiequelle und Ergänzungsstoffe wie Mineralien oder Spurenelementen enthält. Die Zusammensetzung richtet sich dabei nach den Anforderungen der Mikroorganismen.
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Da Mikroorganismen nur sehr geringe Zelldichten tolerieren, fallen beim Ernten große Mengen flüssigen Mediums an, von dem die Mikroorganismen getrennt werden müssen, um sie weiter zu verarbeiten. Moderne Verfahren setzen hierzu energiesparendere Magnetseparationsverfahren ein, bei denen die Mikroorganismen mit Magnetitteilchen beladen und anschließend durch ein magnetisches Feld geleitet werden. Dabei werden die magnetisierten Mikroorganismen von der nicht magnetisierten Flüssigkeit getrennt. Ein Magnetseparationsverfahren ist beispielsweise in
DE 10 2009 030 712 beschrieben.
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Für das Magnetseparationsverfahren ist ein Trommelseparator bekannt, wobei die magnetisierten Mikroorganismen im Gradientenfeld von einer rotierenden trommelförmigen Magnetisierungseinrichtung angezogen, angereichert und durch die magnetischen Haltekräfte aus dem flüssigen Medium entnommen werden. An geeigneter Stelle wird entweder das Magnetfeld abgeschaltet oder die magnetisierten Mikroorganismen werden mechanisch mittels eines Schabers von der trommelförmigen Magnetisierungseinrichtung entfernt und gesammelt.
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Dadurch, dass die Ausbeute beim Separieren der Mikroorganismen aus dem flüssigen Medium vergleichsweise gering ist, ist es wünschenswert, das Separieren aus wirtschaftlichen Erwägungen und aus Gründen der Energiebilanz des Verfahrens mit einem möglichst geringen Energieaufwand durchführen zu können. Es ist bekannt, die trommelförmige Magnetisierungseinrichtung mit einem Dauermagneten anstatt eines Elektromagneten auszustatten, wodurch im Betrieb zur Felderzeugung kein elektrischer Energieaufwand erforderlich ist. Lediglich ein Motor zur Drehung der trommelförmigen Magnetisierungseinrichtung und zur mechanischen Entfernung der separierten Mikroorganismen benötigt elektrische Antriebsenergie.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Trommelseparator zum Separieren von Partikeln aus einer Trägerfluidströmung und eine Separationsanlage mit dem Trommelseparator zu schaffen, wobei der Trommelseparator und die Separationsanlage im Betrieb einen geringen Energieverbrauch haben.
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Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen dazu sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Trommelseparator zum Separieren von Partikeln aus einer Trägerfluidströmung weist eine Trommel zum Aufnehmen der Partikel und ein Antriebsmittel auf, das eingerichtet ist der Trägerfluidströmung Strömungsenergie zu entziehen, diese in Rotationsenergie umzuwandeln und diese zum Drehantreiben der Trommel auf diese zu übertragen. Die erfindungsgemäße Separationsanlage weist den Trommelseparator und einen Tank auf, in dem das Trägerfluid mit den Partikeln zum Zuströmen zu dem Trommelseparator bereitstellbar ist.
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Bevorzugtermaßen ist die Strömungsenergie die potentielle Energie, die kinetische Energie und/oder die Druckenergie der Trägerfluidströmung. Das Trägerfluid ist bevorzugt flüssig und das Antriebsmittel weist bevorzugt ein Schaufelrad auf, das zum Entziehen der Strömungsenergie aus der Trägerfluidströmung von dem Trägerfluid durchströmbar ist. Es ist bevorzugt, dass die Trommel und das Schaufelrad übereinander geordnet sind, so dass von der Trägerfluidströmung die Trommel und das Schaufelrad nacheinander anströmbar sind. Hierbei ist die Trommel bevorzugt über dem Schaufelrad angeordnet, so dass die Trägerfluidströmung zuerst die Trommel anströmt und dann das Schaufelrad durchströmt. Ferner ist es bevorzugt, dass das Antriebsmittel einen zwischen der Trommel und dem Schaufelrad geschalteten Zugmitteltrieb aufweist, mit dem von dem Schaufelrad die Trommel drehantreibbar ist. Mit dem Zugmitteltrieb ist bevorzugt das Drehverhältnis zwischen der Drehzahl der Trommel und der Drehzahl des Schaufelrads einstellbar. Ferner weist der Trommelseparator bevorzugt einen Zusatzmotor zum Drehantreiben der Trommel auf. Die Partikel sind bevorzugt magnetisierbar und die Trommel weist bevorzugt einen Magneten zum Anziehen und Separieren der Partikel aus dem Trägerfluid auf.
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Bevorzugtermaßen ist der Tank zumindest teilweise oberhalb des Antriebsmittels angeordnet, so dass von dem Antriebsmittel potentielle Energie der Trägerfluidströmung entziehbar ist. Ferner weist bevorzugt die Separationsanlage eine Druckbeaufschlagungseinrichtung auf, mit der das Trägerfluid in dem Tank druckbeaufschlagt dem Trommelseparator bereitstellbar ist, so dass von dem Antriebsmittel Druckenergie der Trägerfluidströmung entziehbar ist. Außerdem ist es bevorzugt, dass die Partikel Mikroorganismen sind, die mit dem Trägerfluid in einem Photobioreaktor als dem Tank dem Trommelseparator bereitgestellt sind.
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Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Trommelseparators ist dessen Energieverbrauch gering, da zumindest ein Teil der Antriebsenergie für die Trommel substituiert ist und der Trägerfluidströmung entnommen wird. Besonders effektiv funktioniert der erfindungsgemäße Trommelseparator, wenn die Partikelkonzentration in dem Trägermedium vergleichsweise gering ist, wie es beispielsweise bei der Abwasserreinigung oder bei der Entnahme von biologischen Organismen aus flüssigen Trägermedien, beispielsweise von Algen aus Wasser, der Fall ist. Aufgrund der geringen Konzentration der biologischen Organismen in dem Trägermedium ist die Durchflussmenge des Trägermediums durch den Trommelseparator vergleichsweise hoch. Zum Drehantreiben der Trommel sind von dem Antriebsmittel im Wesentlichen die Reibung von Lager der Trommel und Haftkräfte der biologischen Organismen an der Trommel zu überwinden.
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Bevorzugt ist der Trommelseparator in einer Separationsanlage vorgesehen, in der Mikroorganismen in dem Photobioreaktor gezüchtet werden. Hierbei wird eine große Flüssigkeitsmenge beispielsweise mittels einer Pumpe durch den Photobioreaktor gepumpt, wobei die Mikroorganismen mit Nährstoffen insbesondere gasförmigem Kohlenstoffdioxid, in Kontakt gebracht werden. Um optimale Wachstumsbedingungen und ausreichenden Kontakt mit den Nährstoffen und dem Sonnenlicht durch eine transparente Reaktorwand zu erreichen, ist eine gute Durchmischung der aus den Partikeln und dem Trägerfluid gebildeten Suspension erforderlich. Hierzu wird Wasser in den Tank gepumpt, das durch die Wirkung der Schwerkraft durch den Tank strömt, so dass sich eine ausreichende Durchmischung einstellt. Am Ende des Photobioreaktors wird der Anteil der Mikroorganismen aus der Trägerflüssigkeit mit dem Trommelseparator entnommen. Der erfindungsgemäße Trommelseparator wird durch die durchströmende Trägerflüssigkeit angetrieben, wodurch vorteilhaft etwa ein elektrischer Antrieb des Trommelseparators und die dafür benötigte elektrische Energie eingespart ist. Somit wird der Antrieb der Trommel durch den Energieinhalt des strömenden Trägerfluids bewerkstelligt, wodurch vorteilhaft ein gesondertes Antriebsaggregat für den Trommelseparator verzichtbar ist, wodurch der Trommelseparator klein dimensioniert werden kann.
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Dadurch, dass für den erfindungsgemäßen Trommelseparator ein Antriebsaggregat für die Trommel verzichtbar ist, ist der konstruktive Aufwand und der Wartungsaufwand für die Separationsanlage gering. Durch einen entsprechenden Einbau des Trommelseparators in der Separationsanlage kann vorteilhaft im Prozessablauf zusätzlich ein Teil der Prozessenergie zurückgewonnen werden. Ist beispielsweise der Tank mit Überdruck mit der Druckbeaufschlagungseinrichtung, beispielsweise einer Pumpe, beaufschlagt, um eine vorherbestimmte Strömungsgeschwindigkeit in dem Tank zu erreichen, besteht am Austritt aus dem Tank noch ein Restdruck, der erfindungsgemäß für den Antrieb der Trommel genutzt wird. Alternativ oder zusätzlich zu dem Schaufelrad weist das Antriebsmittel eine Schnecke und/oder eine Turbine auf, die über den Zugmitteltrieb, insbesondere einem Riementrieb, die Trommel antreiben. Alternativ bevorzugt zum Zugmitteltrieb ist ein Getriebe, insbesondere ein Zahnradgetriebe.
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Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Separationsanlage mit dem erfindungsgemäßen Trommelseparator anhand der beigefügten schematischen Zeichnung erläutert. Es zeigt die Figur einen Querschnitt durch die Separationsanlage mit dem Trommelseparator.
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Wie es aus der Figur ersichtlich ist, weist eine Separationsanlage einen Trommelseparator 1 mit einer Trommel 2 auf. Die Trommel 2 hat eine Trommeloberfläche 3, die mittels eines Dauermagneten (nicht gezeigt) im Inneren der Trommel 2 in dem von ihm erzeugten magnetischen Feld angeordnet ist.
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Oberhalb der Trommel 2 ist ein Tank 4 angeordnet, der einen Zuführstutzen 5 aufweist, der nach unten sowie der Trommeloberfläche 3 zugewandt und mittig angeordnet ist. In dem Tank 4 ist eine Suspension 6 gelagert, die von Partikeln 7 in einem Trägerfluid 8 gebildet ist. Der Tank 4 ist nur teilweise mit der Suspension 6 gefüllt, so dass im Tankinnenraum 10 zwischen der Suspensionsoberfläche 9 ein Gaspolster ausgebildet ist. Dadurch, dass die Suspension 6 in dem Tank 4 druckbeaufschlagt ist, hat das Gaspolster einen höheren Druck als der Umgebungsdruck. Der Zuführstutzen 5 weist nach unten auf die Trommel 2 und bildet eine Ausströmöffnung unmittelbar oberhalb der Trommeloberfläche 2, so dass beim Betrieb der Separationsanlage die Suspension 6 aus dem Tank 4 via den Zuführstutzen 5 auf die Trommeloberfläche 3 geführt ist.
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Die Trommel 2 weist ein Abtriebsrad 11 auf, via das die Trommel 2 von einem Schaufelrad 12 angetrieben ist. Das Schaufelrad 12 ist, wie es in der Figur gezeigt ist, unterhalb der Trommel 2 angeordnet und weist ein Antriebsrad 13 auf, dessen Drehachse parallel zur Drehachse des Abtriebsrads 11 ist. Das Abtriebsrad 11 und das Antriebsrad 13 sind mittels eines Riemens 14 kraftschlüssig miteinander gekuppelt, wodurch das Abtriebsrad 11 von dem Schaufelrad 12 angetrieben ist.
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Beim Betrieb der Separationsanlage strömt die Suspension 6 aus dem Zuführstutzen 5 auf die Trommeloberfläche 3. Gemäß der Figur ist die Trommel 2 im Uhrzeigersinn drehangetrieben, so dass die Suspension 6 auf der Trommeloberfläche 2 ebenfalls im Uhrzeigersinn von dem Zuführstutzen 5 abströmt. Die Partikel 7 sind magnetisierbar ausgestattet. Aufgrund der magnetischen Anziehungswirkung des im Inneren der Trommel 2 angeordneten Dauermagneten werden die Partikel 7 an die Trommeloberfläche 3 angezogen, wobei das Trägerfluid an der Trommeloberfläche 3 weiterströmt. Dadurch, dass die Drehachse der Trommel 2 in Horizontalrichtung verlaufend angeordnet ist, strömt das Trägerfluid 8 über die Trommeloberfläche 3 derart, dass aufgrund von Reibungseffekten die Trommel 2 durch die Trägerfluidströmung 8 im Uhrzeigersinn drehangetrieben ist. Aufgrund der Schwerkraft und/oder des in dem Tank 4 vorherrschenden Drucks strömt das Trägerfluid 8 weiter zu dem Schaufelrad 12.
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Das Schaufelrad 12 weist eine über den Umfang gleichmäßig angeordnete Mehrzahl an Schaufeln 15 auf, deren Einhüllende einen Außenumfang 16 des Schaufelrads 12 bilden. Der Außenumfang 16 ragt gemäß der Figur rechts über die Trommeloberfläche 3 hinaus, so dass das von der Trommel 2 abströmende Trägerfluid 8 auf das Schaufelrad 12 trifft. Die Schaufeln 15 sind radial sich erstreckend ausgebildet, so dass von den Schaufeln 15 das von der Trommel 2 abströmende Trägerfluid 8 aufgefangen wird. Aufgrund der Schwerkraft und der kinetischen Energie des Trägerfluids 8 wird von dem Trägerfluid 8 auf die Schaufeln 15 jeweils ein Drehmoment auf das Schaufelrad 12 übertragen. Dadurch wird das Schaufelrad 12 von dem Trägerfluid 8 im Uhrzeigersinn angetrieben, wodurch via das Antriebsrad 13, den Riemen 14 und das Abtriebsrad 11 die Trommel 2 ebenfalls im Uhrzeigersinn drehangetrieben wird. Der Durchmesser des Antriebsrads 13 ist größer als der des Abtriebsrads 12, so dass die Drehzahl des Schaufelrads 12 größer ist als die Drehzahl der Trommel 2 ist.
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Aufgrund der Anhaftung der Partikel 7 an der Trommeloberfläche 3 werden die Partikel 7 von der Trommel 2 mitgenommen und dadurch aus der Trägerfluidströmung abtransportiert. An der der Trägerfluidströmung abgewandten Seite weist der Trommelseparator 1 einen Abstreifer 17 auf, mit dem die von der Trägerfluidströmung getrennten Partikel 7 abgestreift werden. Die durch den Abstreifer 17 von der Trommeloberfläche 3 getrennten Partikel werden in einer Sammelwanne 18 zur weiteren Verwendung gesammelt.
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Unterhalb des Schaufelrads 12 ist ein Auffangbehälter 19 angeordnet, in dem das aus dem Schaufelrad 12 aufgrund der Schwerkraft ausströmende Trägerfluid 8 aufgesammelt wird. Zum Abführen des in dem Auffangbehälter 19 gesammelten Trägerfluids 8 weist dieser eine Abströmleitung 20 auf.
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Eine Energiebilanz über ein Kontrollvolumen, in dem der Trommelseparator 1 angeordnet ist und dessen Kontrollflächen den Zuführstutzen 5 und die Abströmleitung 20 aufweisen, ergibt, dass die Differenz der Strömungsenergie der Suspension 6 am Zufuhrstutzen 5 und der Strömungsenergie des Trägerfluids 8 in der Abströmleitung 20 dem Antrieb der Trommel 2 bereitgestellt wird. Hierbei wird von dem Schaufelrad 12 die Strömungsenergie der Trägerfluidströmung in Rotationsenergie umgewandelt, die der Trommel 2 zum Drehantrieb bereitgestellt wird. Die Strömungsenergie ist die potentielle Energiedifferenz des Trägerfluids 8 zwischen der Suspensionsoberfläche 9 und dem Auffangbehälter 19 sowie die kinetische Energie, mit der die Suspension 6 aus dem Zuführstutzen strömt. Dadurch, dass die Trägerfluidströmung in Fallrichtung an der Trommeloberfläche 3 vorbeiströmt, wird die Trommel 2 von der Trägerfluidströmung 8 aufgrund von Reibungseffekten an der Trommeloberfläche 3 direkt angetrieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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