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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Desintegration
von Biomassen, insbesondere von Klärschlämmen, mit elektromagnetischen
Feldern.
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Um
die zu entsorgenden Abfallmengen zu reduzieren, ist es bei der Verwertung
von Klärschlämmen und
anderen Biomassen erforderlich, durch Zellenaufschluß und weitere
Zellzerkleinerungen die Zellinhalte freizusetzen, um die Bestandteile
der Biomassen besser zu separieren und das biologische Abbauverhalten
der organischen Bestandteile zu verbessern.
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Im
Stand der Technik sind biotechnologische Verfahren und Vorrichtungen
zum mechanischen Zellaufschluß bekannt,
mit denen intrazelluläre
Produkte, vornehmlich Enzyme und Proteine, gewonnen werden. Hierfür eingesetzte
Apparate sind Rührwerkskugelmühlen, Hochdruckhomogenisatoren,
Ultraschallhomogenisatoren oder Scherspalthomogenisatoren. Diesen
Verfahren und Vorrichtungen ist gemeinsam, daß sie die Zellen allein mechanischen Beanspruchungen,
z. B. in Form von Druck- und/oder Scherspannungen, aussetzen und
diese Beanspruchungen auch rein mechanisch oder fluidmechanisch erzeugen.
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Bekannt
sind auch Versuche diese Vorrichtungen zur mechanischen Behandlung
von Klärschlämmen einzusetzen,
um über
den Zellaufschluß und
die Zellzerkleinerung einen verbesserten Aufbau zu erreichen.
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Nachteilig
bei den bekannten Verfahren und Einrichtungen ist, daß sie einen
hohen Energieaufwand erfordern und/oder nur einen unzureichenden Zellaufschluß erzielen,
so daß der
Gesamtaufwand zum Abbau oder Verwertung der Klärschlämme nicht energieautark erfolgen
kann.
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Desweiteren
erfordert die Behandlung von Klärschlämmen die
kontinuierliche Verarbeitung von hohen Volumenströmen mit
niedrigen Feststoffkonzentrationen. Eine effiziente Verarbeitung
ist dabei mit den bekannten Vorrichtungen nicht möglich.
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Rührwerkskugelmühlen erfordern
außerdem bei
kontinuierlicher Prozeßführung eine
Mahlkörperabtrennung.
Die hierzu notwendigen Mahlkörperabtrennungssysteme
besitzen, bedingt durch die geringe Größe der zurückzuhaltenden Mahlkörper, kleine Austrittsquerschnitte,
die bei Klärschlämmen und
Biomassen schnell verstopfen und den Durchsatz begrenzen.
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Bei
Hochdruckhomogenisatoren muß der Schlamm
vorher gesiebt und wieder homogenisiert werden, um Beschädigungen
des Homogenisierventils durch grobdisperse Fremdstoffe zu vermeiden.
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Weiterhin
ist es bekannt, zur Reduzierung des Ausfallen von Wasserinhaltsstoffen
wäßrige Flüssigkeiten
mit magnetischen und/oder elektrischen Feldern zu behandeln.
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Bei
der magnetischen Feldbehandlung durchströmen die Flüssigkeiten Bereiche, die entweder
von einem magnetischen Gleichfeld, das von platten-, stab- oder ringförmigen Permanentmagneten
erzeugt wird (
DE 195
36 128 A1 ,
WO 9515922 ,
EP 0 409 491 ,
DE 42 15 808 A1 ) oder von
sich ändernden
magnetischen Feldern, die Spulen mit Rechteckspannungen erzeugen
(
DE 42 29 594 A1 ) bzw.
die impulsähnlich
(
DE 41 07 512 A1 )
einwirken, durchsetzt werden.
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Bei
elektrischen Feldbehandlungen wird die Flüssigkeit möglichst nahe an Elektroden,
die mit Gleich-Hochspannungspotentialen verbunden sind, vorbeigeführt (
EP 0 282 476 ). Auch die
kombinierte Behandlung mit elektromagnetischen Feldern ist bekannt
(
DE 297 02 380 U1 ).
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Mit
jedem dieser Verfahren oder Vorrichtungen wird erreicht, daß die Flüssigkeiten
filtriert werden, Kesselsteinbildung gemindert und/oder die Korrosion
in Gefäßen bzw.
Rohrsystemen, die mit den behandelten Flüssigkeiten durchströmt werden,
verhütet
wird. Die Ursache für
die erzielten Effekte werden in der Literatur unterschiedlich interpretiert.
Ansatzpunkte werden in einer durch die Feldeinwirkung veränderten
Keimbildung und damit verbundenem Kristallwachstum gesehen. Ein
Zellaufschluß erfolgt jedoch
damit nicht. Allerdings ist es bekannt, Zellmembranen mit Hochspannungsimpulsen
aufzuschließen.
Bei dem als Elektroporation bezeichneten Verfahren kann ein ausreichend
großes
elektrisches Feld das soweit erhöhen,
daß es
ab 0,5 ... 1,5 V zu Polarisierungen, Destabilisierungen und zum
Durchbruch der Zellmembranen und damit zu einem Freisetzen des Cytoplasmas
kommt. Hierzu sind kurzzeitig (< 10–6 s)
große
elektrische Feldstärken
(> 0,6 kV/cm) erforderlich,
die mit aufwendigen Kondensatorstoßanlagen erzeugt werden müssen. (Lit.
Geulen, M.; u. a.: Zellaufschluß durch
elektrische Hochspannungsimpulse ZFL 45 (1994), Nr. 7/8, S. 24–27)
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Ebenfalls
ist es aus Untersuchungen biologischer Wirkungen elektromagnetischer
Felder bekannt, daß durch
Einwirkung von hochfrequenten elektromagnetischen Feldern auf zelluläre Systeme elektrische
Wirbelfelder aufgrund der elektrischen Eigenschaften der inter-
und extrazellulären
Flüssigkeiten
entstehen.
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Die
daraus resultierende thermische Wirkung kann zum thermischen Zellaufschluß führen, jedoch
treten dabei die bekannten Probleme Korrosion, Inkrustierung, Geruchsentwicklung
und Bildung nicht- bzw. schwer abbaubarer Bestandteile auf.
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In
DE 33 14 863 A1 wird
vorgeschlagen, ein elektromagnetisches Feld mittels Elektroden in
den Klärschlamm
mehrtägig
einzuprägen.
Ein solches elektromagnetisches Feld hat nur einen kleinen magnetischen
Anteil. Der elektrische Hauptanteil bewirkt zwischen den Elektroden
im Klärschlamm
das Fließen
eines elektrischen Stromes, der den Klärschlamm erwärmt und
darüber
den Faulprozess beschleunigt.
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In
EP 0 548 130 B1 werden
deshalb zur Erzielung thermischer Effekte hochfrequente Felder mit Frequenzen
von 800 bis 1.100 MHz vorgeschlagen. Die die Erwärmung verursachenden Verlustleistungen
infolge von Wirbelströmen
in einem elektrisch leitfähigen
Medium steigen quadratisch mit der Frequenz des einwirkenden Feldes.
Nachteilig ist dabei, dass die Verlustleistungen sehr hoch sind,
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In
DD-PS 124 913 ist ein Verfahren
zur Erhöhung
der Prozessgeschwindigkeit von biologischen Reinigungsstufen, insbesondere
in Abwasserbehandlungsanlagen, angegeben. Hierbei soll ein elektromagnetisches
Feld Mikroorganismen anregen zur schnelleren Nährstoffanlagerung und Nährstoffveratmung.
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Die
Dokumente
EP 0 222
169 A1 und
US 4 906
479 offenbaren ein Verfahren zur Herstellung von Futter
für kultivierte
Fische und Krustentiere. Hierzu ist das Aufbrechen der Zellwände von
einzelligen Algen erforderlich. Das Aufbrechen der Zellwände soll
mit verschiedenen Vorrichtungen möglich sein, u. a. mit einer
elektromagnetischen Wellenbehandlung.
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Darüber hinaus
können
elektromagnetische Felder in zellulären Systemen Kräfte induzieren und/oder
quantenmechanische Effekte hervorrufen, d. h. zwischenmolekulare
Bindungen aufbrechen und/oder intramolekulare Veränderungen
bewirken.
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EP 0 389 888 B1 und
EP 0 712 807 A2 ist
zu entnehmen, daß das
elektro magnetische Feld von einem in seinen magnetischen Kernresonanz-
eigenschaften modifizierten Medium, vorzugsweise Wasser, größere Partikel,
Molekülgruppen
oder Mikroorganismen in anderen Fluiden zerlegt, so daß damit beispielsweise
indirekt behandelte Kraft- und Heizstoffe bessere Verbrennungen
und reduzierte Schadstoffemissionen aufweisen bzw. daß durch
direkte Zugabe temperierte Wasserkreisläufe (z. B. Schwimmbäder, Mundspülflüssigkeit
bei Zahnärzten) bakteriologisch
stabilisiert werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen der Aufschluß und die
Zerkleinerung der Zellen von Biomassen mit geringem Energieaufwand
und bei hohen Durchsätzen möglich, so
daß die
Bestandteile der Biomassen separierbar sind, nachfolgende biologische
Abbauprozesse beschleunigt werden und sich somit die zu entsorgenden
Abfallmengen reduzieren.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen der Patentansprüche
1 und 8 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Mit
der Erfindung wird eine Erwärmung
der Biomasse dadurch verhindert, dass ein magnetisches Wechselfeld,
dessen elektrischer Anteil vernachlässigbar ist, benutzt wird,
das außen
elektrodenlos erzeugt wird, z. B. mit Hilfe von Spulen, aber die
Biomasse durchsetzt und kurzzeitig einwirkt. Dabei sind thermische
Effekte infolge von induzierten Wirbelströmen im Klärschlamm vernachlässigbar,
da die elektrische Leitfähigkeit
von Biomassen in der Regel sehr klein ist (< 100 S/m).
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden keine Mikroorganismen angeregt, sondern mittels eines niederfrequenten
elektromagnetischen Feldes elektromagnetische Beanspruchungen erzeugt,
die die Zellwände
der Zellen in der Biomasse perforieren und beschädigen, so dass in einem weiteren
Schritt effizienter mit dem gleichen magnetischen Wechselfeld und
der Biomasse zugegebenen hartmagnetischen Arbeitskörpern elektromechanisch Beanspruchungen
generiert werden, die die Zellen weiter aufschließen und
die Biomasse desintegrieren.
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Ein
hoher Wirkungsgrad wird erreicht, wenn vor den biologischen Prozessstufen
in die Biomasse eine Vielzahl hartmagnetischer, inerter Arbeitskörper eingegeben
und das damit entstehende Mehrphasengemisch eine bestimmte Zeit
der Einwirkung sich ändernder,
niederfrequenter elektromagnetischer Felder unterworfen wird, so
daß nichtthermische elektromagnetische
Wechselwirkungen in der Biomasse injiziert und die Arbeitskörper elektromechanisch
bewegt werden und somit die Substanzen gleichzeitig und direkt elektromagnetisch
und elektromechanisch erzeugten Beanspruchungen ausgesetzt sind.
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Dieses
Verfahren kann kontinuierlich, wobei die Arbeitskörper durch
die elektromagnetischen Rückhaltekräfte im Prozeßraum verbleiben,
oder diskontinuierlich durchgeführt
werden.
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Ebenso
ist es möglich,
die Biomasse den elektromagnetisch und elektromechanisch erzeugten Beanspruchungen
nacheinander in einer Vorrichtung oder in mehreren Vorrichtungen
auszusetzen.
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Damit
sind insbesondere für
nachfolgende, in der Industrie bereits bestehende, Technologien,
z. B. für
Technologien in der Lebensmittelindustrie, der Pharmazie u. a.,
angepaßte
Behandlungen der Produkte möglich,
wodurch diese Technologien wesentlich effizienter werden ohne daß grundlegende
Verfahrensänderungen
erforderlich sind.
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Vorteilhaft
ist dabei, daß in
der ersten Stufe grundsätzlich
kein Arbeitskörperabrieb
entstehen kann und damit keine Produktverunreinigung auftritt oder
in den weiteren Behandlungsstufen der Arbeitskörperabrieb gezielt zur Strukturverbesserung und/oder
als Sedimentationsbeschleuniger für nachfolgende Prozesse erzeugt
wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
gestattet die Durchführung
des Verfahrens einstufig oder mehrstufig nacheinander mit geringem
Energieaufwand und bei hohen Durchsätzen bei einfacher konstruktiver
Gestaltung.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung schließt eine
Prozeßkammer
aus nichtferromagnetischem Material, die von einer ruhenden elektrischen Erregeranordnung
umgeben ist, das Mehrphasengemisch ein. Dadurch wird gewährleistet,
daß die
Prozeßkammer
vom elektromagnetischen Feld vollständig durchdrungen wird.
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Bei
der Anwendung der Erfindung werden insbesondere durch die direkte
und kombinierte elektromagnetische und mechanische Beanspruchung
in einem Prozeß mit
einer Vorrichtung energetisch optimal Biomassen bzw. Klärschlämme desintegriert.
Sie gestattet die Desintegration großer Mengen. Desweiteren werden
Herstellungskosten durch einfachen konstruktiven Aufbau, den Verzicht
auf jegliche sich bewegende Übertragungs-
und Trennsysteme, Betriebskosten durch den geringen Energieverbrauch sowie
Wartungsaufwendungen durch den Verzicht auf jegliche sich bewegende Übertragungs-
und Trennsysteme und die einfache verfahrenstechnische Handhabung
minimiert. Die vorzugsweise zylindrische Ausführung des Prozeßraumes
und die mögliche
mehrstufige Produktbehandlung gestattet eine einfache konstruktive
Einbindung bzw. eine kostensparende aber effizienzsteigernde verfahrenstechnische
Einbindung in bestehende biotechnologische Anlagen. Bei geregeltem
Druck-, Temperatur- und Durchflußverhalten ist eine vollautomatische
Prozeßführung und
-kontrolle gegeben.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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In
der zugehörigen
Zeichnung zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
im Längsschnitt,
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2 eine
weitere Ausführung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
im Längsschnitt
und
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3 eine
Vorrichtung mit kontinuierlicher Zuführung
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In 1 ist
ein Beispiel für
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
dargestellt, bei der eine zylindrische Prozeßkammer 1 aus nichtferromagnetischem Material
von einer elektrischen Erregeranordnung 3 umgeben ist.
Die elektrische Erregeranordnung 3 besteht in diesem Fall
aus einer langgestreckten Spule oder aus mehreren Teilspulen, die
entsprechend den vorhandenen Strom- und Spannungsverhältnissen entweder
in Reihe oder parallel geschaltet sind, aber sich in beiden Fällen über die
gesamte Länge
der Prozeßkammer 1 erstreckt.
Im Inneren der Prozeßkammer 1 befindet
sich das Mehrphasengemisch 2, welches aus der Biomasse
und einer Vielzahl hartmagnetischer inerter Arbeitskörper besteht.
Zur Desintegration der Biomasse wird das Mehrphasengemisch 2 eine
bestimmte Zeit der Einwirkung von veränderlichen elektromagnetischen
Feldern unterworfen. Die elektromagnetischen Felder werden durch Speisung
der elektrischen Erregeranordnung 3 mit niederfrequenten
Strömen,
mit Frequenzen < 1
kHz, erzeugt. Die magnetischen Flußdichten im Prozeßraum sind
kleiner als 1 T und betragen vorzugsweise im Mittel 40 ... 80 mT.
Bei der hier dargestellten Anordnung ergibt sich der in der Figur
mit 8a dargestellte Feldlinienverlauf. Dieser Feldlinienverlauf
ist dadurch charakterisiert, daß die
Feld linien an einem Ende der Prozeßkammer eintreten und diese
in axialer Richtung durchlaufen um danach am anderen Ende auszutreten,
wobei der magnetische Rückfluß außerhalb
der elektrischen Erregeranordnung 3 erfolgt. Zur Führung des
Erregerfeldes benötigt
man keine weichmagnetischen Leitelemente. Somit ermöglicht diese
eisenlose Ausführung
eine konstruktiv einfache Bauweise.
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In 2 ist
eine weitere Ausführungsmöglichkeit
der erfindungsgemäßen Anordnung
dargestellt. In dem hier dargestellten Beispiel besteht die elektrische
Erregeranordnung aus mehreren Einzelspulen, die beispielsweise entweder
als Solenoidwicklungen oder als verteilte Strangwicklung ausgebildet
sind und in jedem Fall um die Prozeßkammer 1 angeordnet
sind. Bei dieser Anordnung ergibt sich der mit 8b dargestellte
Feldlinienverlauf für
das Magnetfeld, das in diesem Fall die Prozeßkammer radial durchdringt.
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In 3 ist
eine Figur dargestellt, bei der eine kontinuierliche Zuführung der
zu behandelnden Biomasse möglich
ist. Hierbei ist die Prozeßkammer 1 mit
einer axial angebrachten Zuführung 4 und
einer axial auf der gegenüberliegenden
Seite der Prozeßkammer 1 angeordneten
Abführung 5 versehen.
Die Zuführung 4 ist
dabei so ausgeführt,
daß ihr
Querschnitt kleiner oder höchstens
gleich dem Querschnitt der Prozeßkammer 1 ist. In
die Zuführung 4 mündet seitlich
die Arbeitskörperzuführung 6,
mit der die hartmagnetischen, inerten Arbeitskörper der zu behandelnden Biomasse
beigemischt werden können.
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- 1
- Prozeßkammer
- 2
- Mehrphasengemisch
- 3
- elektrische
Erregeranordnung
- 4
- Zuführung
- 5
- Abführung
- 6
- Arbeitskörperzuführung
- 7
- Arbeitskörper
- 8
- Feldlinien