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Vorrichtung zum Umwälzen von Flüssigkeiten mittels Gaszufuhr bei
teilweiser oder vollständiger Emulgierung derselben Auf vielen Gebieten wird ein
inniges Gemisch von Flüssigkeiten mit anderen Flüssigkeiten, mit Gasen oder selbst
mit Erzeugnissen in sehr feinem, aber festem Zustand gebraucht.
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Es bestehen zahlreiche Systeme zur Umwälzung der Flüssigkeiten in
Behältern. In bestimmten Fällen ist man jedoch daran interessiert, das Mischen durch
Gaseinblasen vorzunehmen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung von
Emulsionen durch Umwälzen von Flüssigkeiten mittels Gaszufuhr, mit oder ohne Einwirkung
des Gases auf die Flüssigkeit, bei der das auf die Flüssigkeit zu verteilende Gas
vom Boden eines Behälters eingeblasen wird.
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Es ist bekannt, daß bei sorgfältiger Wahl der Form des Behälters
eine einfache Gaszuführung in den unteren Teil desselben zuweilen eine Umwälzung
mit einer geregelten und wirksamen Strömung der gesainten in dem Behälter enthaltenen
Flüssigkeitsmenge verursachen kann. Doch gilt dieses nur für kleine Umwälzgeschwindigkeiten,
d. h. bei einer stündlich eingeblasenen Gasmenge, welche z. B. das 1- bis 2fache
des Flüssigkeitsvolumens im Behälter beträgt. Für solche langsamen Umwälzbewegungen
werden hierbei sehr gute Ergebnisse erzielt.
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Es gibt jedoch Fälle, in denen man eine weit heftigere Umwälzung
braucht, indem man z. B. das 1/2 bis 1t/2fache Volumen je Minute einblasen muß (dabei
ist das Volumen des angesaugten Gases bei normalem atmosphärischem Druck gemessen
und steht im Verhältnis zu dem noch nicht vermischten. umzuwalzenden Flüssigkeitsvolumen).
Mit Rücksicht auf den sehr großen Querschnitt der eintretenden Gassäule muß das
Gas bei seinem Eintritt in einen Behälter von normaler Höhe mit Hilfe von Führungen
oder Leitblechen verteilt werden.
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Außerdem wünscht man beim Einblasen derartiger Mengen eine maximale
Umlaufbewegung jedes einzelnen Flüssigkeitsteilchens, und zwar möglichst mit im
wesentlichen konstanten Geschwindigkeiten an jedem Punkt. Die Umwälzung muß daher
planmäßig gestaltet und demgemäß genau gelenkt werden. So besteht beispielsweise
das Erfordernis einer raschen Umwälzung auf dem Gebiete der luftbiologischen Gärung
und besonders bei der Hefeherstellung, bei der die Zellen viel Luft zur schnellen
Neubildung durch Zellteilung benötigen.
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Es ist andererseits bekannt, daß in Wirklichkeit nicht so sehr die
Belüftung, als vielmehr die Um wälzung einen außerordentlichen Aufwand an Energie
erfordert.
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Die Belüftungsverfahren sind Gegenstand umfangreicher Arbeiten gewesen,
und es wurden zahlreiche Systeme vorgeschlagen. Das Problem war besonders
deswegen
schwierig, weil die als Kernsubstanz für organische Kulturen benutzten organischen
Flüssigkeiten besonders schaumbildend sind. Die am feinsten vervollkommneten Systeme
verwandeln hierbei die Flüssigkeit in eine Emulsion, und zwar in Behältern, die
genügend hoch sind, um den Schaum aufzunehmen.
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Die Emulsion wird dabei durch Emulsionspumpen in Bewegung gehalten,
die auf die ganze Länge der Behälterwandungen angeordnet sind. Diese Pumpen saugen
die Emulsion vom Behälterboden an, um sie bis über den obersten Schaumspiegel zu
fördern, und stellen so eine intensive Umwälzung, manchmal von mehreren Umläufen
je Minute, sicher. Die zum Einblasen der Luft benutzten Porenkörper sind durch Metallvorrichtungen
mit feinen Löchern ersetzt worden.
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Indem man auf diese Weise die notwendige Belüftung sicherstellt,
kommt man zu einer planmäßigen Zirkulation in einem bestimmten gewünschten Rhythmus,
welcher lediglich eine Funktion des Luftverbrauches ist.
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Diese Systeme weisen jedoch Nachteile auf. Ein beträchtlicher Kraftaufwand
ist erforderlich, um die
Luft zu verteilen und die Flüssigkeit merklich
über den obersten Schaumspiegel zu heben; außerdem entstehen bedeutende Kraftverluste
dadurch, daß die Flüssigkeit in Umlauf zu setzen ist; auch ist eine relativ komplizierte
und teure Anlage notwendig.
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Die Erfindung bezweckt eine Beseitigung dieser Nachteile und besteht
in der Hauptsache darin, daß eine im wesentlichen waagerechte Führungsplatte so
dicht über dem Boden des Behälters angeordnet ist, daß das unter die Führungsplatte
eingeführte Gas aus dem Spalt zwischen Führungsplatte und Behälterboden mit einer
Geschwindigkeit von etwa 10 bis 20 m/s austritt. Die Führungsplatte ist dabei zwedmäßig
mit dem senkrecht in der Mitte des Behälters angeordneten Gaseintrittsrohr verbunden.
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Vorteilhaft ist die Führungsplatte eben oder konisch und an ihrem
äußeren Rand nach oben umgebogen.
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Der Leitzylinder besteht dabei aus einem senkrechten, zentralen Rohr,
der das Gaseintrittsrohr konzentrisch umschließt. Zur Begrenzung des Schaumniveaus
befindet sich zweckmäßig konzentrisch zwischen Leitzylinder und Gaseintrittsrohr
ein an seiner Oberseite trichterförmig ausgebildetes Flüssigkeitszufuhrrohr, durch
welches der Schaum nach unten abfließen kann bzw. abgesaugt wird. Das untere Ende
des Flüssigkeitszufuhrrohres mündet dabei vorteilhaft kurz unterhalb der nach oben
umgebogenen Aufkantelung der Führungsplatte.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind den Zeichnungen
von Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Es zeigen Fig. 1, 2, 3 und 4 schematische
Schnitte durch Behälter mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 5 und 6 zwei
Ausführungsvarianten einer Einzelheit der Erfindung.
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I. Verteilung der Luft Die Luft wird gegen den Boden 1 eines Hefebehälters
2 mit einer solchen Geschwindigkeit geblasen, daß sie sich sofort auf ihrer ganzen
Austrittszone mit der Flüssigkeit vermischt; hierbei ist eine Austrittsgeschwindigkeit
von etwa 15 als zweckmäßig. In der Zeichnung ist der Lufteintritt mit 3 und der
Eintritt der Flüssigkeit mit 4 bezeichnet.
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Die vorgenannte Geschwindigkeit der eingeführten Luft genügt, ohne
daß es erforderlich ist, sie zwecks inniger Vermischung mit der Flüssigkeit durch
besonders feine Öffnungen noch zu verteilen. Zu diesem Zweck sieht man eine geeignete
Führungsplatte 5 vor, die aus einer Platte (Fig. 5), aus einem Konus (Fig. 6) oder
aus irgendeiner anderen Konstruktionsform gebildet sein kann. Diese Führungsplatte
wird in der Regel in der Mitte des Behälterbodens 1 und parallel zum Boden endend
so angebracht, daß der Abstand z. B. 2 bis 3 cm beträgt. Der Durchgangsquerschnitt
ist so berechnet, daß die Luft eine Geschwindigkeit von etwa 10 bis 20 mit erhält.
Man kann statt eines Spaltes auch eine Anzahl waagerechter Austrittsöffnungen von
beispielsweise 3 bis 5 cm2 Querschnitt vorsehen. Doch sollten die vorgesehenen Einrichtungen
stets fest angeordnet, von einfacher Bauart, wirtschaftlich und derart ausgebildet
sein, daß sie keine Gefahr laufen, sich zu verstopfen.
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II. Erzeugung einer planmäßigen Umwälzung Ein senkrechtes zentrales
Rohr 6 ist in dem Behälter 2 derart angeordnet, daß es das Lufteintrittsrohr 3 umschließt
und als Emulsionspumpe wirkt,
sobald das hydrostatische Niveau im Behälter hoch genug
ist. Das Rohr 6 lenkt also die Zirkulationsströmung und wird daher nachstehend Leitzylinder
genannt. Sein Durchmesser und seine Höhe über dem Boden 1 sind so berechnet, daß
die Geschwindigkeiten der Durchgangsflüssigkeit nicht zu große Strömungsverluste
erleiden, beispielsweise 2,5 bis 3 m/s für die Flüssigkeit im Innern des Leitzylinders
6, d. h. für die am Behälterboden mit der eingeblasenen Luft vermischte emulsionierte
Flüssigkeit, und etwas weniger für die Flüssigkeit, welche bei ihrem Durchtritt
am Behälterboden unterhalb des Leitzylinders 6 in Pfeilrichtung7 (Fig. 1) emulsioniert
wird.
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Die Höhe der oberen Austrittsöffnung 8 des Leitzylinders 6 ist als
Funktion des bewegten Flüssigkeitsgewichtes so berechnet, daß die Emulsionssäule
mit einer geeigneten Geschwindigkeit aus dem Leitzylinder austritt und somit eine
Vermischung und genügende Belüftung bei geregelter Umwälzung gewährleistet ist.
Beispielsweise kann die Höhe der oberen Austrittsöffnung des Leitzylinders über
dem Boden des Behälters um 60ovo größer sein als die hydrostatische Höhe der nicht
emulsionierten Flüssigkeit Je nach den Umständen kann die Öffnung auch höher oder
niedriger liegen. Kurz nachdem eine kräftige Umwälzströmung ausgelöst worden ist,
wird die ganze Masse des Behälterinhaltes in Emulsion verwandelt; die Dichte derselben
wächst von oben nach unten; z. B. kann bei wäßrigen Lösungen die Dichte je nach
der Belüftung und vor allem je nach der Oberflächenspannung der Flüssigkeit 0,5
bis 0,4 betragen und sogar bis auf 0,3 absinken.
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Es ist leicht einzusehen, daß 1 ms Luft mehreren Tonnen Flüssigkeit
Auftrieb verleihen kann, insbesondere wenn sie aus Emulsion besteht; denn man muß
für den Auftrieb der Masse nur den Ausgleich der Strömungsverluste in Rechnung stellen.
Erfindungsgemäß können diese sowohl für die Luft als auch für die Emulsion so gering
wie möglich gehalten werden. Sie sind in der Tat sehr geringfügig.
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Wenn man gezwungen ist, den Luftdruck zu erhöhen, kann man den Luftverbrauch
herabsetzen.
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Der Leitzylinder 6 ist um so länger, je mehr man die Umwälzung zu
beschleunigen wünscht; er kann kurz sein; er kann sogar weggelassen werden, wobei
immer noch eine Umwälzbewegung aufrechterhalten wird, die indessen viel unregelmäßiger
ist.
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Andererseits zeigt die Erfindung, daß die biologisch notwendige Belüftung
bei diesen heftigen Umwälzbewegungen immer sichergestellt ist. Man kann auf diese
Weise erreichen, daß für 1 kg Trockenhefe nur 0,7 PSh für die Zufuhr des Gases in
den Behälter aufgewendet werden müssen.
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III. Begrenzung des Schaumniveaus Der leichte Schaum, der sich im
oberen Teil der Emulsion bildet, würde, wenn er zu leicht wird und zu hoch steigt,
zur Anwendung eines Schaumvernichtungsmittels zwingen. Um dies zu vermeiden, ist
es bei Verwendung von mit Mikroorganismen durchsetzten organischen Flüssigkeiten
zunächst notwendig, einen Teil der Emulsionsoberfläche der Wirkung der Luft- und/oder
Kohlensäurebläschen zu entziehen, welche sich von der Emulsionsmasse loslösen, und
dann den so abgesonderten und, wenn möglich, schon zum Teil vernichteten Schaum
in die Emulsionsflüssigkeit zurückgelangen zu lassen.
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Die zu diesem Zweck vorgesehene Vorrichtung besteht aus dem konzentrisch
zum Leitzylinder 6 und
einem im Innern desselben angeordneten Rohr
9, das einen weit geringeren Querschnitt als der Leitzylinder 6 besitzt und sich
in seinem oberen Teil zu einem Trichter 10 erweitert; die aufsteigende Flüssigkeitssäule
wird so durch die untere Außenfläche des Trichters 10 nach Pfeil 11 der Fig. 1,
2 und 4 in die waagerechte Richtung geleitet, und der Schaum fällt durch die obere
Mündung dieses Trichters wieder zurück. Die Höhe des oberen Randes der Trichteröffnung
12 überragt wesentlich die Höhe 8 des Leitzvlinders 6. Diese Höhendifferenz ist
eine Funktion der mittleren Emulsionsdichte und kann in genügend weiten Grenzen
variieren.
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Der obere DurchmesserD des Trichters 10 ist z. B. von der gleichen
Größenordnung wie der Durchmesser d des Leitzylinders 6. Der Querschnitt des Rohres
9 soll dem Schaum ein Abfließen mit einer Geschwindigkeit von wenigen Dezimetern
je Sekunde erlauben.
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Wesentlich ist, daß der untere Austritt 13 für die Flüssigkeit in
eine Zone mündet, wo die eingeblasene Luft nicht aufsteigen kann. Es ist also notwendig,
daß das Rohr 9 bis dicht an die Zuführungsplatte 5 hinunterreicht, unter der die
Luft eingeblasen wird (sofern eine solche Einblasevorrichtung Anwendung findet),
und daß diese Platte 5 an ihrem äußeren Rand mit einer nach oben umgebogenen, z.
B. 10 cm hohen Aufkantelung 14 versehen ist, wie es die Fig. 1, 2, 3, 5 und 6 zeigen.
Das Flüssigkeitszufuhrrohr 9 mündet also in eine luftwirbelfreie Zone. In diesem
Fall findet sogar ein Ansaugen der Flüssigkeit von oben nach unten in dem Rohr 9
statt. Ohne die Aufkantelung 14 oder eine gleichwertige Vorrichtung könnte die Luft
dagegen in dem an seinem oberen Teil zum Trichter 10 erweiterten Rohr 9 hochsteigen.
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Selbstverständlich müssen alle Durchgangsquerschnitte abgestimmt
sein, um jegliche Stauung zu vermeiden.
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Die zur Verwendung kommende Flüssigkeit wird in den Trichter 10 gegeben.
Auf diese Weise wird die Wirkung der Schaumbildung und gegebenenfalls die gleichzeitige
Vernichtung des über den Rand des Trichters tretenden Schaumes am besten erreicht.
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Außerdem wird die Flüssigkeitszufuhr durch den Trichter so rationell
wie möglich ihrem eigentlichen Zweck zugeführt.
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Die Fig. 1 bis 6 der Zeichnung zeigen Ausführungsbeispiele aus einer
Vielzahl möglicher Varianten. Das Gas bzw. die Luft kann von oben in Pfeilrichtung
durch das Gaseintrittsrohr 3, das konzentrisch zu den anderen Rohren 6 und 9 angeordnet
ist (Fig. 1 und 3), oder durch den Boden 1 (Fig. 2 und 4) zugeführt werden.
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Man kann den Inhalt des Behälters kontinuierlich durch Überlaufen
des Schaumes ablassen, beispielsweise nach Fig. 4 in Richtung des Pfeiles 15. Bei
kleinen Behältern oder wenn der Schaum nicht stört, bedient man sich nur Vorrichtungen
nach Fig. 1 bis 3.
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Bei Verwendung der beschriebenen und in Fig. 1 und 4 veranschaulichten
Vorrichtungen oder bei Kombination dieser Vorrichtungen wird stets eine günstigste
Zirkulation sowie eine wirksamste Berührung zwischen der Flüssigkeit bzw. dem betreffenden
Medium und dem Gas erreicht und gleichzeitig der Kraftverbrauch auf ein Minimum
herabgedrückt und ein Verbrauch an Schaumvernichtungsmitteln eingespart. Zugleich
wird infolge des durch den Trichter praktisch stets gleichgehaltenen Niveaus eine
Infektionsgefahr in den Zonen des auf- und absteigenden Schaumes beseitigt.
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Die beschriebenen Vorrichtungen können aus allen geeigneten Materialien
hergestellt werden, beispielsweise aus Blech, wobei die inneren Blechteile, wenn
notwendig, zur Führung von Kühlmitteln dienen können; hierfür genügt es, daß eine
oder mehrere der Rohrwandungen (diejenige des Leitzylinders ist in dieser Hinsicht
die geeignetste) verdoppelt werden und daß ein rundes oder viereckiges Stahlprofil
von einigen Millimetern Durchmesser schrauhenförmig zwischen die beiden Wandungen
gewickelt wird, um den Abstand zwischen denselben zu gewährleisten und das Kühlwasser
zu einem schnellen Umlauf zu zwingen. Man erhält hierdurch in an sich bekannter
Weise einen sehr sparsamen und wirksamen Lamellenkühler. Man kann z. B. einen Viereckstahl
von 8 mm Durchmesser wählen, der in Spiralen von 12 cm Ganghöhe für einen mehr oder
weniger großen stündlichen Wasserverbrauch gewickelt ist. Die innere Wandung des
Rohres 9 hat auf Grund der großen Auftriebsgeschwindigkeit der Emulsion trotz der
geringen Emulsionsdichte einen ausgezeichneten Wärmekoeffizienten. Es kann im allgemeinen
jegliche Kühlschlange innerhalb des Behälters selbst bei sehr exothermen Vorgängen
wegfallen.
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Was im vorstehenden für einen Behälter zur Hefeherstellung angegeben
wurde, ist auch für andere Herstellungsarten mit oder ohne Einwirkung des Gases
gültig.
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Für den Fall einer nicht luftbiologischen Gärung, bei welcher eine
langsame Umwälzbewegung ausreicht, kann man wie bisher Kohlensäure verwenden.
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Aber für eine solche Umwälzung, die nur annähernd den Gärungsprozeß
innerhalb der gesamten Masse verhindern soll, braucht man keinen I,eitzylinder 6,
so daß in solchen Fällen die Verwendung der Vorrichtung nach Fig. 3 zweckmäßig ist.