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Gegentand der Erfindung ist ein Verfahren und Einrichtung zum Hygienisierung (Pasteurisierung) von Gärsubstrat der Kategorie 3 nach VO (EG) 1069/2009, das nach der Biogasgewinnung aus einem Fermenter ausgetragen wird. Damit wird die seuchenhygienische Unbedenklichkeit für die Gesundheit von Mensch und Tier über die Nahrungs- und Futtermittelkette sichergestellt.
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Ausgehend von diesem Erfordernis ist nach VO (EG) 1069/2009 vorgesehen, dass die Fermenter-Gärreste aus nachwachsenden Rohstoffen, fett- und ölhaltige Stoffe, wie Schlachtabfälle, pflanzliche Extraktionsprodukte, Lebensmittelreste, Fettabscheiderinhalte, tierische Ausscheidungen, wie Gülle, Hühner- und Putenmist zur bakteriellen Abtötung von Keimen einer thermischen Behandlung (Sterilisierung) bei 70°C und einer Aufenthaltszeit von 1 Stunde zu unterziehen sind, wobei die Partikelgröße 12 mm des Substrates nicht zu überschreiten ist. Ausführbar ist auch eine Sterilisierung bei einer Temperatur von über 60°C, jedoch bei einer Verweilzeit von 5 Stunden, was aus betriebswirtschaftlicher Sicht nur in ausgewählten Situationen von Vorteil ist.
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Die Hygienisierung (Pasteurisierung) erfolgt nach gegenwärtigen Kenntnisstand im „Batch”-Verfahren vorrangig drucklos in Hygienisatoren, wobei zur Wärmeversorgung idR eine Nutzung der Abwärme (Kühlwasser- u. Abgaswärme) von BHKW vorsieht, die teilweise auch eine Wärmerückgewinnung einschließt. Hygienisatoren dieser Gattung zeigt u. a. die PRODUS Verfahrenstechnik GmbH (
http://www.produs-verfahren.de/hygienisierung.html), die entweder als einstufige oder in doppelter oder dreifacher Anordnung eingesetzt werden. Eine Anlage mit drei Hygienisatoren kommt beispielsweise in
DE 10 2007 037 187 A1 zur Anwendung. Bei einer solchen Mehrfachanordnung erfolgt ihr Betrieb wechselseitig, wobei jeweils ein Behälter gemäß der VO (EG) 1069/2009 für die Kategorie 3 an die Einhaltung der Verweilzeit gekoppelt ist.
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Bekannt ist weiterhin die Drucksterilisation bei 133°C, 3 bar und einer Verweilzeit von 20 Min.. Dieses Verfahren ist maßgeblich für Abfälle der Kategorie 2, VO (EG) 1069/2009 und für Mischsubstrate der Kategorie 2 und 3 vorgesehen. Eine Ausführungsform zur Drucksterilisation zeigt ebenfalls PRODUS mit dem Dampfstrahlverfahren, bei dem das Substrat während der Beschickungsphase in einem Dampfinjektor auf die gewünschte Temperatur von mindestens 133°C aufgeheizt und anschliessend in einem Hygienisator unter Aufrechterhaltung der Eintragtemperatur gemäß der vorgesehenen Verweilzeit eingelagert wird.
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Bei den gattungsgemäßen Hyginisierungsbehältern (s. PRODUS) für eine drucklose Hygienisierung kann das Substrat im Behälter entweder über die Behälterwandung oder über externe Wärmeaustauscher mit Zirkulationspumpe beheizt werden. Erfolgt die Zirkulation des Subtrates und der Ablauf über eine gemeinsame Pumpe, so ist, wie sonst üblich, im Behälter kein Rührwerk vorgesehen. Bei zwei Hygienisatoren ist der Wärmetauscher zwischen den Behältern angeordnet, um so eine kontinuierlichere Wärmezuführung zu erreichen. Anlagen mit drei Hygienisatoren werden in Abhängigkeit der Aufenthaltszeit in wechselnder Reihenfolge gefahren, wobei das Substrat in jedem Behälter über einen gemeinsamen externen Wärmetauscher beheizt wird. Abschließend wird das behandelte Substrat über einen Wärmetauscher zur Rückgewinnung von Wärmeenergie ausgetragen. Trotz der erreichbaren quasikontinuierlichen Prozessführung ist diese Verfahrensweise sehr zeitaufwendig, da in jedem Behälter zur Hygienisierung des eingesetzten Substrates über die Erwärmung und Haltezeit separat gefahren wird. Kommt es zu Störungen in der Wärmeversorgung, so ist chargenbezogen die Hygienisierung komplett zu wiederholen, was zeit- und energieaufwendig ist und den weiteren Prozessablauf stört. Zudem sind Anlagen der beschriebenen Gattung relativ bau- und wartungsaufwendig. Durch die starke korrosive Belastung der Behälter sind zudem besondere Maßnahmen zum Korrosionsschutz erforderlich. Entweder sind die Behälter aus korrosionsbeständigen Edelstahl, was teuer ist, oder es sind besondere Auskleidungen vorgesehen bzw. die mit dem Substrat in Berührung kommenden Teile sind verzinkt.
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Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und Einrichtung zum Hygienisierung (Pasteurisierung) von flüssigen, pumpfähigen Gärsubstrat mit einem Trockensubstanzanteil von bis ca. 15% der Kategorie 3 der VO (EG) 1069/2009 aus Fermentern, soweit sie für eine Biogasgewinnung eingesetzt werden, zu entwickeln. Gegenüber dem bisherigen Stand der Technik soll damit eine verbesserte rationelle, effektive und quasikontinuierliche Prozessführung ermöglicht werden. Besonders sind Vorkehrungen zu treffen, die bei zu geringer Zuführung von Wärmeenergie oder eine zeitweiligen Wärmeausfall eine Unterbrechung der Hygienisierung unterbinden. Die Einrichtung soll entsprechend dem angestrebten Verfahrensablauf aus Behältern ohne Rührwerk bestehen, wobei die Erwärmung des Substrates über externe Wärmeaustauscher mit Förderpumpe unter Nutzung der Abwärme von BHKW und im Bedarfsfall durch Fremdwärme erfolgt. Grundsätzlich sollen die Behälter zur Erreichung einer langen Verfügbarkeit und geringer Wartungsaufwendungen aus einem korrosions-, formstabilen und verschleißbeständigen (Abriebfest) Werkstoff bestehen.
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Die verfahrenspezifischen Merkmale entsprechend der vorgenannten Zielstellung umfassen den Anspruch 1 und die darauf bezugnehmende Unteransprüche. Im Anspruch 5 sind die Merkmale der Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens erfasst, die nachfolgend durch Unteransprüche präzisiert werden.
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Verfahrensgemäß wird das zu sterilisierende und pumpfähige Gärsubstrat (im weiteren als Substrat bezeichnet) der Kategorie 3 nach VO (EG) 1069/2009 aus einem Fermenter in einem ersten Verfahrensschritt in einen Vorwärmbehälter eingetragen und nachfolgend zur Erwärmung über eine Ringleitung in Zirkulation gebracht und in einem Wärmeaustauscher auf wenigstens 70°C erwärmt. Die benötigte Wärmeenergie wird aus der Abwärme eines mit der Biogasanlage systemintegrierten BHKW ausgekoppelt, wobei die Vorlauftemperatur für den Wärmeaustauscher nicht unter 85°C liegen soll. Mit Erreichen einer durchgreifenden Kerntemperatur von 70°C im Substrat wird dieses im zweiten Verfahrensschritt aus dem Vorwärmbehälter in einen zweiten Behälter, einem Hygienisator umgesetzt. Hier wird es bei fortlaufender Zirkulation über einen Zeitraum von mindestens 80 Min. bei mindestens 70°C einer Hygienisierung (Pasteurisierung) unterzogen. In beiden Verfahrensstufen erfolgt zur Steuerung des Prozessablaufes und zur Fremdüberwachung eine fortlaufende Temperatur-Kontrollmessung, deren Werte in einem Datenlogger erfasst werden. Die Zirkulation des Substrates im Hygienisator erfolgt wiederum über eine äußere Ringleitung, wobei zur Konstanthaltung der Hygienisierungstemperatur die erforderliche Wärmeenergie größer 70°C über einen Wärmeaustauscher kontinuierlich oder in Intervallen in das Substrat eingetragen wird. Um das Niveau der Hygienisierungstemperatur aufrecht zu erhalten, ist eine Vorlauftemperatur für den Wärmeaustaucher von 85°C bis maximal 95°C vorgesehen. Die erforderliche Wärmeenergie wird wiederum von dem vorgenannten BHKW, vorzugsweise aus dem Abgas ausgekoppelt. Sollte diese Wärmeenergie nicht ausreichen bzw. ist nur ein geringer Energieanteil zur Aufrechterhaltung der Vorlauftemperatur erforderlich oder tritt in der Wärmeversorgung, insbesondere zum Ende einer Hygienisierungsphase eine Unterbrechung auf, so erfolgt unabhängig vom Wärmeaustauscher eine separate Wärmeeinspeisung mittels Fremdenergie über eine elektrische Zusatzheizung statt. Diese Fremdenergie sollte idR regenerativer Strom sein. Erfolgt bei einer Prozessunterbrechung keine Zuführung von Wärmeenergie, so müsste zwangsläufig die betroffene Charge einer nochmaligen kompletten einstündigen Hygienisierung unterzogen werden. Die anfallende Abwärme beider Wärmeaustauscher wird anschließend zum Trocknen des Substrates in einem nachgeordneten Trockner eingesetzt.
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Während der Hygienisierung im Hygienisator erfolgt parallel die erneute Beladung des Vorwärmbehälters und die Erwärmung dieses Substrates. Um Stauluft in beiden Behältern zu vermeiden, sind diese durch eine Belüftungsleitung verbunden. Zugleich kann eine Entlüftung des Vorwärmbehälters über eine Entlüftungsleitung mit Abluftfilter erfolgen, in dem die bakteriell belastete Abluft vor dem Austritt in die freie Atmosphäre einer biologischen Reinigung unterzogen wird. Mit dem vorgeschlagenen zweistufigen Verfahren ist eine quasikontinuierliche, rationelle und effektive Prozessführung erreichbar.
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Die Bereitstellung der Prozesswärme kann, wie vorstehend beschrieben, auch darin bestehen, dass der Wärmeaustauscher des Vorwärmbehälters ausschließlich mit der Abwärme aus dem Kühlwasser des BHKW versorgt und der Wärmeaustauscher für den Hygienisator mit der im Prinzip höher temperierten Abgaswärme des BHKW versorgt wird. Auch hier wird die anfallende Restwärme beider Wärmeaustauscher zum Trocknen des Substrates dem nachfolgenden Trockner zugeführt.
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Die Einrichtung zur Umsetzung des Verfahrens umfasst zwei konstruktiv gleichgroße Behälter mit Trichterboden und Deckel ohne Rührwerk aus Mineralgusselementen. Verfahrensspezifisch unterteilen sich beide Behälter in einen Vorwärmbehälter und den Hygienisator, die zur Hygienisierung (Pasteurisieren) von fließ- und pumpfähiger Substrate aus Fermentern eine funktionelle Einheit bilden und im „Batch”-Verfahren betrieben werden. Der Trichterboden der Behälter verhindert das Absetzen von Schlamm und die Ausbildung einer Schwimmdecke. Beide Behälter verfügen über eine separate Ringleitung (auch als Bypassleitung bezeichnet), in der jeweils eine Fördepumpe und nachfolgend ein Wärmeaustauscher integriert ist. Gleichzeitig sind die Ringleitungen des Vorwärmbehälters und des Hygienisator zur Umsetzung des Substrates funktionell miteinander zusammengekoppelt.
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Die Behälter bestehen, wie vorgenannt, aus armierten Mineralgusselementen, die durch Kaltschweißen molekular verbunden sind. Damit können unterschiedliche Behältergrößen ohne größeren fertigungstechnischen Aufwand hergestellt und eingesetzt werden. Mineralguss (bekannt auch als Polymerbeton) zeichnet sich besonders durch seine Druck- und Abriebfestigkeit, Stabilität und insbesondere durch seine Korrosionsbeständigkeit aus. Das hat den entscheidenden Vorteil, dass keine zusätzlichen Korrosionsschutzmaßnahmen erforderlich sind. Mineralgusselemente können unter Wärmeeinfluss von über 200°C beliebig geformt werden. Damit sind Bauelemente aus Mineralguss relativ einfach und kostengünstig in standardisierten Größen herstellbar. Im Betriebseinsatz zeichneten sich Mineralgusselemente im Einzelnen als auch im konstruktiven Zusammenbau durch eine hohe Formstabilität aus, die gegenüber Stahlkonstruktionen besonders wartungsarm und reparaturfreundlich sind.
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Entsprechend dem Verfahrensablauf wird das anfallende Substrat mit einer Förderpumpe vom Fermenter über eine Zuleitung in die Hygienisierungsanlage eingeleitet. Die Zuleitung mündet in der Ringleitung des Vorwärmbehälters. Vor und hinter dem Anschluss ist in der Zuleitung und Ringleitung ein Sperrschieber angeordnet. In der Ringleitung befindet sich ausgehend vom Trichterboden des Vorwärmbehälters eine Förderpumpe, vorzugsweise eine Schneckenpumpe und dahinter eine Wärmeaustauscher, vorzugsweise ein Rohrwärmeaustauscher. Dieser Wärmeaustauscher ist mit dem Kühlwasserkreislauf und/oder Abgaswärmeaustauscher eines systemintegrierten BHKW wirkverbunden. Über die Ringleitung erfolgt der Zirkulationsumlauf des Substrates zum Aufwärmen auf die Hygienisierungstemperatur auf wenigstens 70°C, das vom Fermenter mit einer Basistemperatur von ca. 20°C in den Vorwärmbehälter eingesetzt wurde. Die Substratfeuchte liegt bei ca. 80%, so dass das Substrat fließ- und pumpfähig ist. Die bei der Vorwärmung und Hygienisierung auftretenden Gase, die bakteriell belastet sind, werden über eine Entlüftungsleitung im Deckel des Vorwärmbehälters und über Abluftfilter gereinigt an die freie Atmosphäre abgegeben. Dazu ist der Vorwärmbehälter und der Hygienisator über eine Belüftungsleitung verbunden. Über diese Belüftungsleitung wird zugleich das Entstehen von Stauluft und einem Druckaufbau innerhalb der Behälter beim Befüllen und Umsetzen des Substrates entgegengewirkt.
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Wie bereits angesprochen, ist die Ringleitung des Vorwärmbehälters vor der Förderpumpe über eine Verbindungsleitung mit der Ringleitung für den Hygienisator verbunden. Zur Trennung beider Kreisläufe ist in der Verbindungsleitung ein Sperrschieber angeordnet. Die Ringleitung für den Hygienisator ist analog zur Ringleitung für den Vorwärmbehälter mit einer Förderpumpe und nachfolgend mit einem Wärmeaustauscher ausgestattet. Der Wärmeaustauscher, ausgeführt als Rohrwärmeaustauscher ist wiederum mit dem BHKW wirkungsseitig verbunden, wobei vorrangig die Wärmeenergie der Abgase genutzt wird. Damit kann für den Wärmeaustauscher eine Vorlauftemperatur bis maximal 90°C bereitgestellt werden und es ist sichergestellt, dass kontinuierlich eine Substrattemperatur von größer/gleich 70°C erreicht wird. Kann die Vorlauftemperatur nicht, aus welchen Gründen auch immer, bereitgestellt werden, so ist hinter dem Wärmeaustauscher eine externe Energiequelle in Form einer Zusatzheizung zuschaltbar. Vorzugsweise ist dafür ein elektrisch beheizter Rohrwärmeastauscher vorgesehen. Hinter der Zusatzheizung mündet die Ringleitung über den Deckel wieder im Hygienisator. Der Ausstoß des hygienisierten Substrates aus den Hygienisator erfolgt nach einer Umlaufzeit von 60 Min. und einer konstanten Temperatur von gleich/größer 70°C über eine Ablassleitung. Ihr Anschluss befindet sich in der Ringleitung zwischen dem Wärmeaustauscher und der Zusatzheizung. Sie ist mit einem Sperrschieber absperrbar. Um einen Rückfluss des Substrates beim Entleeren in den Hygienisator zu unterbinden, ist vor der Zusatzheizung ein weiterer Sperrschieber in der Ringleitung angeordnet. Alle vorgenannten Sperrschieber sind mit der zentralen Steuereinheit der Anlage verbunden und werden entsprechend dem Prozessverlauf angesteuert.
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Nachfolgend soll an einem Schaltschema der funktionelle Aufbau und Betrieb der Hygiesieranlage im Prinzip nochmals demonstriert werden.
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Das Befüllen des Vorwärmbehälter 1 erfolgt mit der Förderpumpe 5 über die Zuleitung a.
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Durch die mechanische Belastung des Substrates innerhalb dieser Förderpumpe ist sichergestellt, dass die Substratteilchen nicht größer als 12 mm sind, was laut VO (EG) 1069/2009 vorgegeben ist. Für die Befüllung sind die Sperrschieber 10 und 11 offen. Der Sperrschieber 12 in der Verbindungsleitung c zum Hygienisator 2 ist geschlossen. Die im Vorwärmbehälter 1 befindliche Luft wird teilweise über die Belüftungsleitung f in den Hygienisator 2 verschoben bzw. der Luftüberschuss über die Entlüftungsleitung g über den Abluftfilter 9 gereinigt in die Atmosphäre abgeleitet. Damit ist sichergestellt, dass sich in beiden Behältern 1 und 2 keine Stauluft ansammelt und kein Überdruck aufbaut. Nach dem Befüllen des Vorwärmbehälters 1 wird der Sperrschieber 10 geschlossen und die Förderpumpe 3 in Betrieb genommen. Damit wird die Zirkulation des Substrates über die offene Ringleitung b und den Wärmeaustauscher 6 zurück in den Vorwärmbehälter 1 ermöglicht und für die gesamte Phase der Erwärmung aufrecht erhalten. Im Wärmeaustauscher 6, der vorzugsweise als Rohrwärmeaustauscher ausgebildet ist, erfolgt mit jedem Umlauf im Gegenstromprinzip die kontinuierliches Erwärmen des Substrates auf die Hygiesierungstemperatur von wenigstens 70°C. Die Wärmeenergie wird aus dem Wärmekreislauf eines BHKW mit einer Vorlauftemperatur von mindestens 85°C ausgekoppelt. Die Erwärmung ist abgeschlossen, wenn im Substrat eine Kerntemperatur von 70°C erreicht ist. Dazu erfolgt eine fortlaufende Überwachung des Temperaturverlaufes mittels mehrerer vertikal im Behälter angeordneter Sensoren, die zur Fernüberwachung, Prozesssteuerung und Dokumentation mit einem Datenlogger verbunden sind. Für die Prozesssteuerung ist vorzugsweise eine zentrale Steuereinrichtung (SPS) vorgesehen. Mit Abschluss der Substraterwärmung wird die Förderpumpe 3 gestoppt, der Sperrschieber 11 geschlossen und die Sperrschieber 12 und 13 geöffnet. Parallel bzw. im Anschluss wird bei geschlossenen Sperrschieber 14 die Förderpumpe 4 in der Ringleitung d in Betrieb genommen. Das erwärmte Substrat wird so aus dem Vorwärmbehälter 1 über die Verbindungsleitung c in die Ringleitung d, durch den Wärmeaustauscher 7 und der Zusatzheizung 8 abgezogen und in den Hygienisator 2 umgesetzt. Gleichzeitig erfolgt über die Belüftungsleitung f zwischen dem Hygienisator 2 und Vorwärmbehälter 1 ein nahezu druckloser Luftausgleich und über die Entlüftungsleitung g mit Abluftfilter 9 die Ableitung der freigesetzter Gase in die freie Atmosphäre. Nach dem Umsetzen des erwärmten Substrates aus dem Vorwärmbehälter 1 wird der Sperrschieber 12 in der Verbindungsleitung c geschlossen und damit die Zirkulation des Substrates im Hygienisator 2 über die Ringleitung d mittels der Förderpumpe 4 übernommen. Über den Wärmeaustauscher 7, der gleichermaßen als Rohrwärmeaustauscher ausgebildet ist, erfolgt dann fortlaufend der Nachschub von Wärmeenergie mit einer Vorlauftemperatur von maximal 90°C. Diese Wärmeenergie wird vorzugsweise aus der Abgaswärme des BHKW ausgekoppelt. Damit wird die Hygienisierung für das insgesamt umgesetzt Substrat bei einer Temperatur von gleich/größer 70°C für mindestens 60 Min gemäß VO (EG) 1069/2009, Kategorie 3 gewährleistet. Auch hier erfolgt eine fortlaufende Überwachung der Prozesstemperatur, Steuerung und ihre Dokumentation über den o. g. Datenlogger und die zentrale Steuereinheit (im Schaltbild nicht dargestellt).
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Parallel zur Hygienisierung im Hygienisator 2 erfolgt die erneute Beschickung des Vorwärmbehälter 1 und seine Inbetriebnahme, wie vorstehend beschrieben. Damit wird eine quasikontinuierliche Prozessführung nach dem „Batch”-Verfahren erreicht.
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Nach Abschuss der Hygienisierung von 60 Min. wird das pasteurisierte Substrat aus dem Hygienisator 2 mittel der Förderpumpe 4 zum Trocknen zum Trockner gefördert. Dazu wird der Sperrschieber 14 in der Ablassleitung e geöffnet und der Sperrschieber 13 vor der Zusatzheizung 8 geschlossen. So kann kein Substrates in den Hygienisator 2 zurückgepumpt werden. Die Wärmeenergie für den Trockenprozess selbst, wird, wie bereits ausgeführt, aus der Abwärme der Wärmeübertrager 6 und 7 übernommen. Ergeben sich Störungen in der Wärmeversorgung, insbesondere für den Wärmeaustauscher 7 und damit die Gefahr einer unzureichenden thermischen Behandlung des Substrates, so erfolgt die Einspeisung der fehlenden Wärmeenergie über die Zusatzheizung 8, die vorzugsweise aus einem elektrisch beheizten Rohrwärmeübertrager besteht. Damit ergibt sich der besondere Vorteil, dass ein relativ sicherer Anlagenbetrieb erreichbar ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorwärmbehälters
- 2
- Hygienisator
- 3
- Förderpumpe
- 4
- Förderpumpe
- 5
- Förderpumpe
- 6
- Wärmeaustauscher
- 7
- Wärmeaustauscher
- 8
- Zusatzheizung
- 9
- Abluftfilter
- 10
- Sperrschieber (Zulauf)
- 11
- Sperrschieber (Ringleitung b)
- 12
- Sperrschieber (Verbindungsleitung c)
- 13
- Sperrschieber (vor Zusatzheizung 8)
- 14
- Sperrschieber (Ablassleitung e)
- a
- Zulaufleitung
- b
- Ringleitung
- c
- Verbindungsleitung
- d
- Ringleitung
- e
- Ablassleitung
- f
- Belüftungsleitung
- g
- Entlüftungsleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007037187 A1 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.produs-verfahren.de/hygienisierung.html [0003]
