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Vorrichtung zum Begasen von Flüssigkeiten, insbesondere bei biologischen
Prozessen Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Begasen von Flüssigkeiten,
insbesondere bei biologischen Prozessen, mit einem Flüssigkeitsbehälter, in dem
sich ein rotierender, mit Armen und Austrittsöffnungen versehener Gasverteilungskörper
mit Mammutpumpenwirkung befindet, und einem koaxial zur Rotationsachse des Gasverteilungskörpers
im Flüssigkeitsbehälter angeordneten zylindrischen Rohrkörper für die Führung der
Mammutpumpenströmung.
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Unter »Gas« sind im folgenden beliebige gasförmige Stoffe, z. B. atmosphärische
Luft, Kohlensäure, Wasserstoff, Sauerstoff usw., aber auch Dämpfe und Dampfgernische
zu verstehen, wobei das »Gas« überdies mit festen oder flüssigen Teilchen durchsetzt
sein kann.
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Bei einer bekannten Vorrichtung der einleitend angegebenen Art ist
im Mittelbereich des Flüssigkeitsbehälters zur Führung der Mammutpumpenströmung
ein senkrecht stehender, zylindrischer Rohrkörper vorgesehen, der an seinen beiden
Enden offen ist, wobei das obere Ende unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche liegt
und zwischen dem unteren Ende des Rohrkörpers und dem Boden des Flüssigkeitsbehälters
ein Spalt für den Durchtritt der umgewälzten Flüssigkeit frei gelassen ist. Innerhalb
dieses zylindrischen Rohrkörpers ist koaxial zu diesem ein rotierender Gasverteilungskörper
mit radialen, am Ende offenen oder am Mantel gelochten Rohrarmen angeordnet. Das
dem Gasverteilungskörper unter Druck zugeführte Gas bewirkt hierbei nicht nur eine
Begasung, sondern auch eine Umwälzung der Flüssigkeit im Kreislauf, also eine Mammutpumpenwirkuna.
Das mittels des Gasverteilungskörpers der Flüssigkeit zugeführte und in dieser Blasen
bildende Gas steigt nämlich innerhalb des zylindrischen Rohrkörpers hoch und entweicht
hernach zum größten Teil durch die Flüssigkeitsoberfläche. Dies bedeutet, daß der
Blasengehalt im Inneren des zylindrischen Rohrkörpers wesentlich höher ist als in
dem einerseits von dem zylindrischen Rohrkörper und andererseits von der Außenwand
des Flüssigkeitsbehälters begrenzten Zwischenraum. Diese Dichtedifferenz hat zur
Folge, daß das Gas-Flüssigkeits-Gemisch in dem zylindrischen Rohrkörper hochsteigt,
während die gasarme Flüssigkeit in dem eben erwähnten Zwischenraum nach unten fließt,
wodurch sich die bereits angeführte Mammutpumpenwirkung ergibt. Die Umwälzung der
Flüssigkeit bietet den Vorteil, daß die Flüssigkeit dauernd an dem rotierenden Gasverteilungskörper
vorbeiströmt, wodurch alle Flüssigkeitsteilchen in weitgehend gleichem Ausmaß begast
werden. Es ist ferner bereits bekannt, bei rotierenden GasverteilungskÖrpeln an
Stelle gelochter Rohre oder Flügel sogenannte offene Rinnen anzuwenden, die radial
zur-Ro-tationsachse anZebracht sind und deren Rinnen Öffnungen auf der der Rotationsrichtung
abgekehrten Seite liegen. Die offenen Rinnen sind in der Regel an Armen befestigt,
die rohrartig, d. h. mit geschlossenen Profilen ausgebildet sind und auch
für die Gaszufuhr zu den offenen Rinnen dienen. Die Querschnitte der offenen Rinnen
entsprechen meist dem vorderen Teil von Stromlinienprofilen, welche durch die Phasengrenzflächen
der sich bei der Rotation der offenen Rinnen bildenden Vakuolen (Gas enthaltende
Hohlräume) zu einem vollständigen Stromlinienprofil ergänzt werden. Die Verwendung
dieser offenen Rinnen erweist sich als sehr vorteilhaft, da sie einerseits leicht
herstellbar sind und andererseits einen besonders hohen Begasungseffekt bei einem
extrem niedrigen Kraftbedarf ergeben. Bei kleinen Begasungsanlagen mit einer entsprechend
kleinen Flüssigkeitshöhe oberhalb des Gasverteilungskörpers wirkt die offene Rinne
meist selbstansaugend, hingegen erweist es sich bei großen industriellen Begasungsanlagen
mit einer entsprechend großen Flüssigkeitshöhe oberhalb der offenen Rinne im allgemeinen
als nötig, der offenen Rinne mit Hilfe eines Kompressors verdichtetes Gas zuzuführen.
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Derartige offene Rinnen können mit Vorteil auch für die Gasverteilungskörper
von Begasungsvorrichtungen der einleitend angegebenen, mit Mammutpumpenwirkung
arbeitenden
Art verwendet werden, um eine möglichst intensive Begasung zu erzielen.
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Es wurde nun gefunden, daß bei Verwendung offener Rinnen bei Begasungsvorrichtungen
mit einem zur Erzielung einer Mammutpumpenwirkung koaxial zur Rotationsachse des
Gasverteilungskörpers im Flüssigkeitsbehälter angeordneten zylindrischen Rohrkörper
hinsichtlich des Begasungseffektes und des Kraftbedarfes für die Gaszufuhr optimale
Verhältnisse erzielt werden können, wenn die Durchmesser der an jeder Stelle der
offenen Rinne gebildeten Gasblasen im wesentlichen gleich groß sind und das zugeführte
Gas möglichst gleichmäßig über den gesamten Strömungsquerschnitt der infolge der
Mammiitpumpenwirkung aufsteigenden Flüssigkeit verteilt wird.
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Die Durchmesser der an der offenen Rinne gebildeten Gasblasen sind
umso kleiner, je höher die Umfangsgeschwindigkeit der offenen Rinne an der
Bildungsstelle der Blasen ist. Dies bedeutet, daß sich das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit
u" am äußeren und ul am inneren Ende der offenen Rinne nur verhältnismäßig wenig
von dem Idealwert 1
unterscheiden soll. Das eben erwähnte Verhältnis
ist aber gleich dem Quotienten
wenn r" den Radius des vom äußeren und ri den Radius des vom inneren Rinnenende
beschriebenen Kreises bedeutet.
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Falls nun eine offene Rinne in Analogie zu der beschriebenen
Gasverteilungsvorrichtung mit Mammutpumpenwirkung innerhalb des in den Flüssigkeitsbehälter
eingesetzten zylindrischen Rohrkörpers in Rotation versetzt wird, so muß sie im
wesentlichen vom äußeren Umfang der zur Gaszufuhr dienenden Hohlwelle bis zum zylindrischen
Rohrkörper reichen, damit der gesamte Querschnitt der umlaufenden Flüssigkeit vom
Gasverteilungskörper bestrichen wird. Dadurch ergibt sich zwangläufig ein relativ
großer Wert für den Quotienten
d. h., dieser weicht sehr stark vom Idealwert 1 ab. Dies bedeutet,
daß am inneren Rinnenende wesentlich größere Gasblasen als am äußeren Rinnenende
gebildet werden. Demzufolge werden bei einer angemessenen Drehzahl des rotierenden
Gasverteilungskörpers, d. h. bei einer wirtschaftlich vertretbaren Antriebsleistung,
am äußeren Rinnenende kleine, einen guten Begasungseffekt ergebende Gasblasen gebildet,
wogegen am inneren Rinnenende praktisch nur große Gasblasen -entstehen, die zu Gasausbrüchen
Anlaß geben und zur Begasung der Flüssigkeit nicht wesentlich beitragen. Dadurch
wird zwar die Mammutpumpenwirkung nicht aufgehoben, doch wird ein großer Teil des
zugeführten Gases praktisch nicht für die Begasung der Flüssigkeit ausgenutzt. Dies
bedeutet, daß sehr erhebliche Mengen des zugeführten, im allgemeinen mit Hilfe eines
Kompressors verdichteten Gases vergeudet werden, wodurch sich unwirtschaftliche
Verhältnisse ergeben.
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Erfindungsgemäß wird dieser Nachteil bei einer Vorrichtung der eingangs
angeführten Art dadurch vermieden, daß der Gasverteilungskörper in radialer Richtung
durch einen Unterbrechungsspalt des zylindrischen Rohrkörpers hindurch bis nahe
an die Außenwand des Flüssigkeitsbehälters heranreicht, wobei die Arme des Gasverteilungskörpers
von der Rotationsachse bis ungefähr zum Radius des zylindrischen Rohrkörpers rohrartig
mit geschlossenem Profil ausgebildet sind, darüber hinaus aber die Form einseitig
entgegen der Rotationsrichtung offener Rinnen aufweisen.
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Bei Annahme eines annähernd gleichen Strömungsquerschnittes innerhalb
und außerhalb des zylindrischen Rohrkörpers weicht bei dieser Bauweise der Quotient
selbst dann nur relativ wenig vom Idealwert 1 ab, wenn die offene Rinne in
radialer Richtung im wesentlichen von dem inneren zylindrisehen Rohrkörper bis zu
der Außenwand des Flüssigkeitsbehälters reicht. Es können also mit der Erflndung
die zur Erzielung optimaler Verhältnisse notwendigen Bedingungen gleichzeitig weitestgehend
erfüllt werden.
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Die rotierenden Gasverteilungskörper werden vorzugsweise nur so weit
unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet, daß die sich ergebende Mammutpumpenwirkung
einen entsprechenden Umlauf der Flüssigkeit bewirkt. Dadurch ist die für das Gas
aufzuwendende Kompressionsarbeit wesentlich geringer als bei der sonst üblichen
Anordnung des Gasverteilungskörpers in der Nähe des Bodens.
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Da bei der Begasungsanlage nach der Erfindung eine Manirnutpumpenwirkung
hervorgerufen werden soll, ist es zweckmäßig, das Mitrotieren der Flüssigkeit mit
dem rotierenden Gasverteilungskörper zu verhindern. Deshalb ist vorgesehen, daß
im Umlaufweg der Flüssigkeit vor und/oder hinter dem rotierenden Gasverteilungskörper
in an sich bekannter Weise eine feststehende Leitvorrichtung angeordnet ist.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Die einzelnen Phasen der Begasung sind durch verschiedenartige, durch eine Legende
erläuterte Schraffar angedeutet. Der die zu begasende Flüssigkeit enthaltende Flüssigkeitsbehälter
a ist durch einen zylindrischen Rohrkörper b, der bis zum Behälterboden reicht
und an seinem unteren Ende öffnungen b. aufweist, in zwei kommunizierende
Behälterabteile unterteilt. Der zylindrische Rohrkörper b wird koaxial von
einer irgendwie in Umdrehung versetzten Hohlwelle c durchsetzt, die oben in einem
Halsteil des Behälters und unten in einem Spurlager f gelagert ist. Der an
dieser Hohlwelle c angebrachte rotierende Gasverteilungskörper e ragt durch einen
Unterbrechungsspalt des inneren zylindrischen Rohrkörpers b in den Zwischenraum
alb zwischen der Außenwand des Behälters a und dem Rohrkörper b. Die Arme
des Gasverteilungskörpers e sind von der Rotationsachse bis zum Radius des zylindrischen
Rohrkörpers b rohrartig, d. h. mit geschlossenem Profil ausgebildet
und weisen aber darüber hinaus die Form einseitig entgegen der Rotationsrichtung
offener Rinnen auf. Die äußeren Enden dieser offenen Rinnen reichen fast bis an
die Wand des Flüssigkeitsbehälters a. Die Gaszufuhr erfolgt somit lediglich innerhalb
des Zwischenraumes alb. Der Umlauf der Flüssigkeit erfolgt, wie in der Zeichnung
durch Pfeile angedeutet, in der Weise, daß im Ringraum alb die begaste, spezifisch
leichtere Flüssigkeit hochsteigt, um sodann innerhalb des zylindrischen Rohrkörpers
b niederzusinken.
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Vom Rohrkörper b bis zur Wand des Behälters a reichend, sind
unter- und oberhalb des Gasverteilkörpers e Brems- bzw. Leitbleche gl,
g2 angeordnet,
die in an sich bekannter Weise ein
Mitrotieren der begasten Flüssigkeit mit dem rotierenden Gasverteilungskörper verhindern.
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Der rotierende Gasverteilungskörper e ist nur so weit unterhalb der
Flüssigkeitsoberfläche angeordnet, daß die resultierende Mammutpumpenwirkung einen
entsprechenden Umlauf der Flüssigkeit bewirkt. Dadurch ist die für das Gas aufzuwendende
Kompressionsarbeit wesentlich geringer als bei der üblichen Anordnung der Gasverteilungsvorrichtung
in der Nähe des Gefäßbodens.
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Die Erfindung eignet sich für beliebige Begasung, hat aber besondere
Bedeutung für die Massenzüchtung von Mkroorganismen durch Zufuhr von Sauerstoff
zu in einem Nährsubstrat suspendierten Organismen, z. B. zu Maischen bei der Hefeerzeugung.
Zugleich mit der Versorgung des Nährsubstrates mit Sauerstoff führen die Gasblasen
die als Stoffwechselprodukt gebildete Kohlensäure ab.