DE1642777A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Zu- und/oder Ablaufes bei der biologischen Oxydation von Alkohol zu Essigsaeure - Google Patents

Description

KCNCHfN 22, Steinsdorfstr. 1Q

Vogerbusch Gesellschaft m.b.H. in Wien ^Österreich) Wien XI, Mautner Markhof-Gasse 40

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Zu- und/oder Ablaufes "bei der biologischen Oxydation von Alkohol zu Essigsäure

Patentanmeldung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren samt zugehöriger Vorrichtung zur Eegelung des Zu- und/oder Ablaufes bei der biologischen Oxydation-von Alkohol zu Essigsäure mittels Eesselgärung oder submerser Gärung·.-

Der Erfindung liegt die Erfahrung zugrunde, daß bei der Regelung des Zu- und/oder Ablaufes des Gärsubstrates 'bzw. des Gärungsproduktes dann optimale Gärbedingungen erzielt ι ; werden können wenn diese Regelung in an sich bekannter Weise in Abhängigkeit von der augenblicklichen Alkoholkonzentration der aus dem Essigbildner enti-reichenden Abgase erfolgt. Der im wasserdampfgesattigten Abgasgemisch enthaltene .Alkohol-Wasserdampf steht nämlich jeweils im Gleichgewicht mit der Alkoholkonzentration des Gärsubstrates bzw. Gärungsproduktes, wobei diese Zuordnung unabhängig von Belüftungssystem, von der Füllhöhe des Essigbildners usw. ist und nur von der Gärtemperatur · abhängt, die man in der Regel konstant hält. Insbesondere bei diskontinuierlich erfolgender Essigerzeugung weist nun das im Essigbildner befindliche Gärsubstrat unmittelbar nach der

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Auffüllung des Essigbildners mit frischem. Gärsubstrat (Maische) in vielen Fällen eine Alkoholkonzentration von 5 Vol.-%- auf, *■ die erst im Zuge,der Essiggärung allmählich bis auf ungefähr • 0,15 Vol.-% abnimmt .-Hieb ei verringert sich die entsprechende Alkoholkonzentration der aus dem Essigbildner, entweichenden Gärungsabgase annähernd im selben Verhältnis, u.zw. von etwa 13,5 mg₌Alkoholdampf pro Liter Abgas auf etwa O,A-mg Alkoholdampf pro Liter Abgas. Zur Erfassung der Alkoholkonzentration der Gärungsabgase hat sich die Verwendung eines nach dem Prinzip der katalytisehen Verbrennung des Alkohols, also unter Ausnutzung der durch Oxydation des Alkohols entstehenden Wärmetönung arbeitenden Analysiergeräts als zweckmäßig erwiesen, wobei allerdings, wie diesbezügliche Versuche ergeben haben, die Alkoho!konzentration der dem Ge.rät zustrorenden Abgase maximal nur 2 mg Alkohol pro Liter Abgas betragen soll. Eührt man also einem solchen Analysiergerät die unmittelbar aus dem Essigbildner kommenden, am Beginn des Gärvorganges eine Alkoholkonzentration von etwa 13,5 ^mS Alkohol pro Liter. Abgas ^auf we is enden Abgase zu, so sinkt die Wirksamkeit des dadurch überbeanspruchten Katalysators in kurzer Zeit erheblich ab, wodurch das Analysiergerät die Alkoholkonzentration der Abgase nicht mehr in befriedigender Weise erfassen kann., '

Der Erfindung liegt die Aufgäbe zugrunde, ein .Hege-" lungsverfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Genauigkeit von der jeweils anfallenden Größe der Alkoholkonzentration der Gärungsabgase vollkommen unabhängig ist, u.zw. auch dann, wenn man fallweise ein mit einem Katalysator arbeitendes Analysiergerät verwenden will. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß aus den Gärungsabgasen, Vorzugs~ weise aus einem Teil derselben, der Alkohol bis auf eine konstant' ; gehaltene Alkoholkonzentration kontinuierlich ausgewaschen wird und die zur Konstanthaltung der Alkoholkonzentration in den Abgasen augenblicklich erforderliche Waschwassermenge für einen Regeleingriff im Zu- und/oder Ablauf des Gärsubstrates bzw. des Gärungsproduktes herangezogen wird. Obwohl also letzhin

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die augenblickliche Alkoholkonzentration der aus dem .Essigbildner unmittelbar abströmenden Abgase die den Ablauf des Verfahrens allein beherrschende Regelgröße ist, braucht diese Regelgröße vorteilhafterweise nicht direkt durch das Ahalysiergerät erfaßt zu werden, sondern letzteres' dient nur dazu, um die gleiche Regelgröße in anderer Form, nämlich als augenblicklich erforderliche Waschwassermenge, in das Verfahren einbeziehen zu können. Je höher nämlich die Alkoholkonzentration der aus dem Essigbildner abströmenden -Gärungsabgase ist, desto mehr Waschfässer ist erforderlich, um in den gewaschenen Abgasen die über das Analysierest einzuregelnde Eonstanz der Alkoholkonzentration aufrecht zu erhalten. Somit ist die zur Eonstanthaltung der | Alkoholkonzentration der gewaschenen Gärungsabgase augenblicklich erforderliche Waschwasseriiienge eine der augenblicklichen Aikoho!konzentration der nicht gewaschenen Abgase vollkommen -adäquate und konforme Regelgröße. Das erfindungsgemäße Verfahren ist solcherart durchwegs auch unter Verwendung eines nach dem Prinzip der katalytisehen Verbrennung des Alkohols arbeitenden Analysiergerätes durchführbar, denn die Lebensdauer des im Gerät befindlichen Eatalysators ist umso größer, ge niedriger die Alkoholkonzentration der dem Gerät zugeführten Abgase ist. Da nun die betreffenden Alkohlkonzentrationen durch das geregelte Auswaschen der Abgase ohne weiteres auf einen Wert reduziert werden können, der beträchtlich unterhalb der nach Auffüllung des Essigbildners auftretenden Konzentrationen liegt, so können kritische Eonzentr at Ionen vom Eatalysator vollkommen fern gehalten werden, wodurch sich für ihn die größtmögliche Lebensdauer ergibt. ■

Zweckmäßigerweise wird man hiebei die konstante Alkoholkonzentration der gewaschenen Abgase auf die gewünschte Restalkoho!konzentration des Gärsubstrates einstellen. Ein allfällig verwendeter Katalysator hat dann nur zur Oxydation von besonders geringen Alkoholmengen zu dienen, da zum unverzögerten Einsetzen der Gärung der nachfolgenden Charge nur eine Verhältnis mäßig niedrige Restalkoholkonzentration des Garsubstrates erforderlich ist. Auch die jeweils gewünschte Restalkoholkonzen-

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tration des aus dem Essigbildner auszustoßenden fertigen Gärungsproduktes läßt sich mit absoluter Genauigkeit erreichen. Die bei erreichter gewünschter Restalkoholkonzantration erfolgende Unterbrechung der Waschwasserzufuhr kann hiebei den- Ausstoß • des Gärsubstrates bzw. Gärungsproduktes auslösen. Ist nämlich' die Alkoholkonzentration der unmittelbar aus dem Essigbildner entweichenden Abgase auf den Wert der konstant gehaltenen, der gewünschten Restalkoholkonzentration des Gärsubstrates zugeordneten Alkoholkonzentration der gewaschenen Abgase abgesunken, dann ist ein Wascheffekt nicht mehr nötig.

Das Verfahren kanii selbstverständlich auch bei der

™ kontinuierlichen Essigerzeugung eingesetzt werden, u.zw. unabhängig davon, ob diese kontinuierliche Erzeugung im Ein- oder Mehrbottichsystem erfolgen soll. Auch dann kann nämlich die Regelung des Ab- oder Zulaufes in Abhängigkeit vom Restalkohol des zum Ausstoß gelangenden Gärungsproduktes stattfinden. Der Ausstoß wird bei kontinuierlicher Essigerzeugung in jenem Augenblick ausgelöst werden, in welchem die Waschwasserzufuhr unterbrochen ist. Es ist hiebei für die Erfindung unerheblich, ob der Regeleingriff auf die Zufuhr von frischem Gär substrat oder auf den Ausstoß des bereits abgegoreiieri Gärproduktes erfolgt. Im Zwei- oder Mehrbottichsystem kann es unter Umständen zweckmäßig sein, den Regeleingriff auf die Pumpe abzugeben, fe welche angegorene Maische von einem Essigbildner zum nächsten folgenden zu fördern„hat.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die in an sich bekannter Weise einen Gärbehälter mit einem in die Abgasleitung eingeschalteten Abgaswäscher aufweist, zweigt ₌von der vom Abgaswäscher wegführender Abgasleitung eine, vorzugsweise mit einer Dosierpumpe versehene, Meßleitung ab, die zu einem Analysiergerät führt, das zur Er-. fassung der Alkoholkonzentration der bereits gewaschenen Abgase dient, an welches Gerät ein Regler angeschlossen ist, mittels •welchem die zur Konstanthaltung der Alkoholkonzentration der gewaschenen Abgase augenblicklich erforderliche Waschwassermenge

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über ein mit ihm in Steuerverbindung stehendes, in die Waschwasserzuleitung eingebautes Ventil einregelbar ist. Dieses Ventil kann dabei einen seine Verstellung mitmachendaa Steuerkontakt aufweisen, über welchen die Stromleitung zum elektrischen Antriebsmotor der Ablaufpumpe lediglich dann geschlossen ist, wenn sich das Ventil in Schließstellung befindet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist an Hand der Zeichnung näher erläutert, die Ausführungsbeispiele der zur Verfahrensdurchführung dienenden erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergibt. Fig 1 zeigt in schematascher Darstellung eine Vorrichtung für diskontinuierliche Essigerzeugung. Fig. 2 ' f veranschaulicht, ebenfalls schematisch, eine Vorrichtung für kontinuierliche Essigerzeugung, u.zw. an Hand eines zwei hintereinander geschaltete Essigbildner aufweisenden Systems.

In Fig.. 1 ist mit 1 der im wesentlichen geschlossen ausgeführte, mit einem rotierenden Luftverteilungssystem 2 ausgestattebe Essigbildner bezeichnet, von dessen Oberseite der Teil 3 der Abgasleitung 3, 4 zum unteren Ende des Abgaswäschers 5 führt. Dieser ist zur Erzielung eines entsprechenden Wascheffektes als eine mit Raschig-Ringen gefüllte Kolonne ausgebildet. Vom oberen Ende desAbgaswäschers5 führt der Teil 4 der Abgasleitung 3, 4 ins Freie. Von diesem Leitungsteil A , zweigt die Heßleitung 6, in welche die Dosierpumpe 7 eingebaut " ist, zu dem die Alkoholkonzentration der bereits gewaschenen Abgase erfassenden Anarysiergerät 8 ab. Dieses arbeitet in an oich bekannter Weise nach dem Prinzip der katalytisehen Verbrennung des Alkohols^ also unter Auswertung der durch die Oxydation des Alkohols entstehenden augenblicklichen Warmetönurii';. An das Analysiergerät 8 ist der Segler. 9 angeschlossen, der mit dera die Waschwasserzufuhr regelnden Hotorveritil 12 in StBUSrverbindung steht. Dienes ist in die zum oberen Ende des Abgaswäschers 5 führende Waschwasserzuleitun^ 10 eingebaut. Am unteren Eade des Abgaswäschers 5 ist eine V/a schwas s erableibur^ 11 vorgesehen. Das Moboiwenbil12 weist den seine. Verstellung mitmachenden Steuex'konbakt 13 auf, über welchen die Stromleitung

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14 zum elektrischen Antriebsmotor 15 öler Ablauf- ■

pumpe 16 lediglich dann geschlossen ist, wenn sich das Hotor- ^lventil 12- in Schließstellung "befindet. Letzteres 1st- dann der Pail, wenn die mittels des Analysier gerät es 8 konstant gehaltene Alkoholkonzentration der gewaschenen Abgase gleich ist der einer gewünschten Ee st aiko ho !konzentration des Gärsubstrates . zugeordneten Alkoholkonzentration der nicht gewaschenen Abgase.

• Die infolge des submersen Gärvorganges im Essigbildner 1 entstehenden, Alkoholdampf enthaltenden Abgase gelangen durch den Teil 3 der Abgasleitung 3, 4 in den Abgaswäscher 5₅ strömen in diesem nach oben und verlassen ihn durch den Leitungsteil 4. Das durch die Waschwasserzuleitung 10 zugeführte Waschwasser durchfließt den Abgaswäscher 5 von oben nach unten und tritt aus diesem durch die Waschwasserableitung 11 aus. Infolge dieses Strömungsvorganges tritt in dem Abgaswäscher 5 ein Stoff austausch auf, der zur .Folge hat, daß ein Teil deu in den Abgasen vorhandenen Alkoholdämpfe von dem Waschwasser absorbiert wird. Somit weisen die den Abgaswäscher 5 durch den Ab -asleitungsteil 4 verlassenden Abgase im. allgemeinen eine niedrigere Alkoholkonzentration als die dem Abgaswäscher 5 zuströmenden Abgase auf, u.zw. verringert sich die Alkoholkonzentration der-Abgase im Abgaswäscher 5 umso mehr, Je größer die augenblicklich dem Abgaswäscher zugeführte Waschwassermenge ist. Mit Hilfe der Dosierpumpe 7 wird über die Meßleitung 6 ein Teil der. Abgase aus dem Leitungsteil 4 abgesaugt und dem Analysiergerät 8 augeführt. Dieses erfaßt die Alkoholkonzentration der bereits gewaschenen Abgase, indem es eine dieser Alkoho!konzentration entsprechende elektrische Spannung liefert, welche die Eingangsgröße für den .Regler 9 darstellt. Der Regler 9 hält durch entsprechende Betätigung des die V/aschv/asserzul'uhr aa dem Abgaswäscher 3 steuernden Motorventils 12 die Älkoiio!konzentration der aus dem Abgasxväscher austretenden Abgase während des gesamter; (jarvorgarig.es auf jenem Wert, welcher der gewünschten iieytalkoholkoiizentratioii de a Gär substrates zugeordnet ist. Wenn ntal diese Reötälkoho!konzentration, im Essigbildner erreicht ist, kann im

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Abgaswäscher 5 keine Verringerung der Alkoholkonzentration der Abgase mehr erfolgen, da sonst die eben angeführte Regelbedingiing nicht mehr erfüllt wäre. Der Regler 9 bewirkt also, daß sich das Motorventil 12 schließt. Hiebe! wird über den Steuerkontakt * 13 der elektrische 'AntriebsBfotor 15 eingeschaltet. .Dies hat zur Folge-, daß die Ablaufpumpe 16 fertiges Gärungsprodukt aus deir Essigbildner 1 wegpumpt, bis dieser die bei a angedeutete flestbefüllung aufweist. Mittels einer einfachen Automatik läßt sich erreichen, daß nach Ablauf der gewünschten Menge des fertigen Gärungsproduktes die Ablaufpumpe wieder ausgeschaltet wird und anschließend die Zufuhr frischen Gärsubstrates erfolgt, bis die bei b angedeutete Endbefüllung des EssigbiLüners 1 erreicht ist, wonach der beschriebene Vorgang wieder von neuem beginnt.

Natürlich kann anstelle des Motorventils 12 bei Verwendung eines entsprechenden Reglers auch ein pneumatisch oder ■ hydraulisch betätigtes, ebenfalls mit einem entsprechenden Steuei kontakt ausgestattetes Ventil Verwendung finden.

In der eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Essigerzeugung wiedergebenden J¹Ig. 2 ist mit 1 ' der erste Essigbildner bezeichnet, der. wie auch der folgende Essigbildner 1", im wesentlichen geschlossen ausgeführt und mit einem rotierenden Luftverteilungssystem 2¹ ausgestattet ist. Das Flüssigkeitsniveau im Essigbildner 1' wird durch ein Schwimmerventil 17 konstant gehalten, dessen Abschlußorgan in einer Leitung 18 liegt, über welche dem Essigbildner I¹ kontinuierlich in bedarfdeckender Menge frisches Gärsubstrat zugeführt wird, über eine Leitung 19 fließt die bereits angegorene Maische in den zweiten Essigbildner 1", in welchem für die Steuerung der vom Essigbildner 1 · herkommenden Maischemenge ein Schwimmerventil 20 vorgesehen ist. Über eine Leitung 21, eine Ablauf pumpe 16" und ^: eine Leitung 22 erfolgt der Ausstoß des fertigen Gärungsprodukteε

• ' Über die Leitung 18 wird dem Essigbildner 1¹ Gär sub >-■ strat mit etwa 10 Vol.% Alkohol zugeführt, xrobei über das Luftverteilungssystem 2¹ die entsprechende Luftversorgung erfolgt.

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Bie Alkoholkonzentration im Essigbildner 1' stellt sich je nach der Gärungsgeschwindigkeit im nachgeschalteten Essigbildner auf einen bestimmten Wert ein. Vorzugsweise wird man eine Alkoholkonzentration von etwa 3 Vol.-% anstreben, was einer Säurekonzentration von etwa 6-7%.entspricht. Bei dieser Säurekonzentration wird erfahrungsgemäß die höchste Gärgeschwindigkeit erreicht, wodurch eine Verringerung des Volumens der Essigbildner ermöglicht wird. Dieses angegorene Gärsubstrat wird entsprechend der Ausstoßmenge aus dem Essigbildner 1" letzterem zugeführt. In diesem wird der Alkohol durch biologische Oxydation auf 0,1^ Vol.-% reduziert. Die über das Luftverteilungssystem 2" des zweiten Essigbildners in das Gärsubstrat übertretende Luft liefert den für die biologische Oxydation des Alkohols nötigen Sauerstoff und sättigt sich beim Durchstreichen der Gärsübstratschicht mit Wasser- und Alkoholdampf. Das solcherart resultierende Gärungsabgas gelangt über die Abgasleitung 3" in den Abgaswäscher 5", dessen Waschwasserableitung mit 11" bezeichnet ist. und über die Leitung 4" ins Freie. Über die Meßleitung 6" wird mittels der Dosierpumpe 7" sin Teilstrom der Abgase dem die Alkeholkonzentration dex bereits gewaschenen Abgase erfassenden Analysiergerät 8" zugeführt, von welchem in gleicher Weise wie gemäß Fig. 1 der Impuls an den angeschlossenen Regler 9" abgegeben wird. Letzterer betätigt in Abhängigkeit vom Alkoholgehalt der aus dem Abgaswäscher abströmenden Abgase das Motorventil 12", überjwelches soviel Waschwasser dem Kopf des Abgaswäschers 5" zugeführt wird, daß das aus dem Abgaswäscher abströmende Abgas einen--gewünschten Restalkoholgehalt aufweist. Im allgemeinen wird jene Alkoholkonzentration im aus dem Abgaswäscher austretenden Abgas angestrebt, welche im Gleichgewicht mit der Alkoholkonzentration des fertigen Gärungsproduktes steht. Im vorliegenden Fall soil nun aus dem Essigbildner 1^lr das fertige Gärungsprodukt abgezogen werden, d.h. die Alkoholkonzentration des Gärsubstrates im Essigbildner 1" beträgt etwa 0,15 Vol.-%. Demnach resultiert aus diesem Essigbildner ein Abgas, dessen Alkoholkonzentration jener gewünschten Restalkoholkonzentration entspricht, so daß keine WaschwasserZufuhr zum

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Abgaswäscher 5^ir erforderlich ist. Das in die WaschwasserzuleiturE 10" eingebaute Regelventil 12" kann mit dem elektrischen An-s---.. ' triebsmotor 15"? welcher die Ablauf pumpe 16" antreibt, so in elektrischer Verbindung "stehen, daß bei Schließstellung des "\feitils 12" der Stromkreis zum Antriebsmotor 15" geschlossen ist, wodurch die Ablaufpumpe 16" in Bewegung gesetzt wird* und fertiges Gärungsprodukt abgezogen wird. Dadurch öffnen sich die Schwimmerventile 20 und 17, wodurch, frisches Gär substrat dem Essigbehälter 1', bzxv. angegorenes Gärsubstrat des Essigbehälter 1" zugeführt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung des Zu- · i und/oder Ablaufes läßt sich selbstverständlich auch auf das . kontinuierliche Einbottichsystem anwenden. In diesem lalle wird das frische Garsubstrat unter Umgehung des E-ssigbildners 1* über die Leitung 19 gleich dem Essigbildner 1" zugeführt. Die Regelung ergibt sich sinngemäß aus den vorstehenden Darlegungen.

Es ist im Rahmen der Erfindung gleichgültig, ob das Regelventil 12" mit einem, wie oben beschrieben, elektrischen Antriebsmotor in steuernder Verbindung steht, oder aber ob dieses Regelventil 12" mit einem entsprechenden Regelventil in der Abzugsleitung 21 verbunden ist. Ebenso könnte die . Pumpe 16" mit dem Antriebsmotor 15" in der die beiden Essigbildner verbindenden Leitung 19 angeordnet sein,, wobei dann der \ Ausstoß aus dem Essigbildner 1" über eine als "überlauf ausgebildete Abzugsleitung erfolgt. Das Schwimmerventil 20 würde dann entfallen.

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Claims (1)

1. Pat e η t a n s -ρ r ü c h e:

   I.Verfahren zur Regelung des Zu- und/oder Ablaufes

   bei der biologischen Oxydation von Alkohol zu Essigsäure mittels * Fesselgärung oder submerser Gärung, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Gärungsabgasen, vorzugsweise aus einem Teil derselben, der Alkohol bis auf eine konstant gehaltene Alkoholkonzentration kontinuierlich ausgewaschen wird und die zur Konstanthaltung der Alkoholkonzentration in den gewaschenen Abgasen augenblicklich erforderliche Waschwassermenge für einen Regeleingriff im Zu- und/oder Ablauf des Gär— substrates bzw. des Gärungsproduktes herangezogen wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e kennz eichne t, daß die konstante Alkoholkonzentration der gewaschenen Abgase auf die gewünschte Restalkoholkonzentration des Gärsubstrates eingestellt wird.

   3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch g e kenn ζ eichne t, daß die bei erreichter gewünschter Restalkoho!konzentration erfolgende Unterbrechung der Waschwasserzufuhr den Ausstoß des Gärsubstrates bzw. Gärungsproduktes auslöst.

   U-. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrans nach den Ansprüchen 1 bis 3» bestehend aus einem Gärbehälter mit einem in die Abgasleitung eingeschalteten Abgaswäscher, dadurch gekennzeichnet, daß von der vom Abgaswäscher (5; 5")wegführenden Abgasleitung (4; 4") eine vorzugsweise mit einer eingebauten Dosierpumpe (7";■ 7") versehene, Meßleitung (6; 6") abzweigt, die zu einem Analysiergerät (8; 8")' führt, das zur Erfassung der Alkoholkonzentration der bereits gewaschenen Abgase dient, an welches Gerät (8; 8") ein Hegler (9; 9") angeschlossen ist, aittels welchem die zur Konstanthaltung der Alkoholkonzentration der gewaschenen Abgase augenblicklich erforderliche Waschwassermenge über ein mit ihm in

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   Steuerverbindung stehendes, In die Waschwasserzuleitung (10; 10") eingebautes Ventil (12; 12") einregelbar ist.

   5. Torrichtung nach Anspruch 4-, d a du rc h g ekennz eich net, daß das in,die Waschwasserzuleitung (10) eingebaute Ventil (12) einen seine Verstellung mitmachenden Steuerkontakt (13) aufweist, über welchen die Stromleitung' (1A-) zu,; elektrischen Antriebsmotor (15) der Ablauf pumpe (16) lediglich dann geschlossen ist,-wenn sich das Ventil (12) in Schließstellung befindet. ■

   Der Patentanwalt

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