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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Rührwerk
zum Eintrag mechanischer Energie in stehend angeordnete Fermentationsbehälter.
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Stand der
Technik
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Biogasanlagen
erzeugen Methan durch einen mikrobiellen Abbauprozess von organischen Substanzen.
Das Biogas entsteht dabei in einem mehrstufigen Prozess, der Vergärung oder
Faulung durch die Aktivität
von anaeroben Mikroorganismen, d.h. unter Ausschluss von Luft. Die
Art der Organismenstämme
wird im Wesentlichen durch die spezifischen Prozessparameter wie
Temperatur, Substrat, pH-Wert, etc. determiniert. Dadurch wird eine
Anpassung der Mikroorganismen an das jeweilige Substrat erreicht,
die es ermöglicht,
eine Vielzahl organischer Materialien durch Fermentation abzubauen.
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Organisches
Material besitzt aus chemischer Sicht einen hochmolekularen Aufbau,
der in den einzelnen Verfahrensschritten einer Biogasanlage durch Stoffwechseltätigkeit
der Mikroorganismen zu niedermolekularen Bausteinen abgebaut wird.
Neben Biogas, das im Wesentlichen aus Methan und Kohlendioxid besteht,
verbleibt in der Prozesskette als Fermentationsrückstand eine Mischung aus Wasser, nicht
abgebautem organischem Material und anorganischen Bestandteilen.
Nicht abgebaut werden in der Regel stark ligninhaltige, holzige
Materialien und cellulosereiche Stoffe. Anorganische Bestandteile
sind Minerale in Form von Sand und Steinen, aber auch kristallisierte
Salze.
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Zentrale
Bauteile einer Biogasanlage sind die Fermentationsbehälter (Fermentoren,
Reaktoren), in denen die primären
biologischen Prozesse ablaufen. Als Werkstoffe zum Bau der Fermentoren werden üblicherweise
Beton oder Stahlplatten (emailliert, beschichtet oder aus Edelstahl)
eingesetzt. Die in einer Biogasanlage ablaufenden mikrobiellen Abbauprozesse
sind stark von der Fermentertemperatur abhängig. Aus diesem Grund werden
die Reaktoren meist thermisch isoliert und mit einer Heizung (externe
Wärmetauscher,
Heizwendeln an der Innenwand, beheizte Rührwerke oder Fußbodenheizung)
ausgestattet.
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Da
es im Verlauf der bis über
drei Wochen dauernden Vergärung
zu Entmischungen des Substrats kommen kann, wird das Material bewegt.
Die unerwünschten
Entmischungen würden
zur Bildung von feststoffreichen Schwimm- und Sinkschichten führen, die
in der Folge den Stofftransport im Reaktor behindern. Der Reaktor
ist meist mit einem Zulauf für
halbflüssige
bis flüssige
Materialien und einer Einzugsschnecke für feste Materialien ausgestattet.
Häufig werden
Fermentoren mit Vorrichtungen zum Austrag der nicht vergärbaren,
sich im Bodenbereich absetzenden organischen und anorganischen Bestandteile
ausgerüstet.
Die Aufgabe des Austrags der vergorenen Substanzen aus dem Reaktor übernimmt
ein in das Fermentat eintauchendes Steigrohr, das als Überlauf
in einen weiteren Reaktor oder in ein Substratlager ausgeführt ist.
Das entstehende Biogas wird über
einen so genannten Gasdom entnommen und der Verwertung zugeführt.
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Aus
diesen allgemeinen Ausführungen über Biogasanlagen
kann ein Eindruck von den in Fermentern herrschenden Bedingungen
gewonnen werden: In Fermentern werden teilweise sehr zähflüssige Dispersionen
mit einem hohen Feststoffanteil durch Rührwerke oder ähnliche
Vorrichtungen zumindest zeitweise kräftig bewegt. Einzelne Partikel, wie
z.B. ganze Zuckerrüben
messen dabei bis zu 25 cm im Durchmesser. Es kann davon ausgegangen werden,
dass zumindest zeitweise stabile Schwimmschichten in großen zusammenhängenden
Matten vom dem Rührwerk
durch den Fermenter gezogen werden. Diese Faktoren führen zu
einer hohen mechanischen Belastung aller im Fermenter installierten Komponenten.
Insbesondere müssen
Bauteile der Rührwerke
und der ggf. im Fermenter verlegten Heizleitungen besonders stabil
ausgeführt
sein.
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Während des
Betriebes einer Biogasanlage entstehende Schäden an Bauteilen, die sich
im Fermenter befinden, sind in mehrfacher Hinsicht problematisch:
Zur Reparatur muss der Betrieb der Anlage unterbrochen und der Fermenterinhalt
zumindest bis zur Freilegung der schadhaften Stelle abgelassen werden.
Der abgelassene Inhalt muss entsorgt (was aufgrund des intakten
Gärprozesses
mit erheblicher Emissionsbelastung einhergeht), das Problem behoben
und der Fermenter wieder aufgefüllt
werden. Danach muss sich der Prozess der Biogasgenese wieder etablieren.
Insgesamt betrachtet entspricht eine Reparatur im Fermenter häufig einem
Anlagenausfall von zwei bis drei Monaten.
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Vor
diesem Hintergrund ist es verständlich, dass
beim Bau einer Biogasanlage der Konstruktion und der Ausführung der
Komponenten im Fermenter besondere Aufmerksamkeit geschenkt wird.
Insbesondere kommt der Rührwerksausführung und
-steuerung sowie der Ausführung,
Anordnung und Befestigung von notwendigen Heizleitungen im Fermenterinnenraum
besondere Bedeutung zu.
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Wie
bereits allgemein dargestellt, sollen die Rührwerke in Biogasanlagen die
Ausbildung stabiler Schwimm- und Sinkschichten verhindern. Darüber hinaus
sorgt die von den Rührwerken
eingebrachte Bewegung für
einen thermischen und stofflichen Ausgleich im Fermenter. So wird
frisch eingebrachtes Substrat durch die Vermischung mit bakterienreichem,
angegorenem Substrat deutlich rascher zersetzt als ohne diese Animpfung.
Der in den Aufgabenbereich der Rührwerke
fallende thermische Ausgleich ist zur Etablierung günstiger
Lebensbedingungen für
die Bakterien im ganzen Fermenter unabdingbar, wodurch ein optimaler
Gärprozess
erreicht werden kann. Dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren
und Vorrichtungen zur Temperierung und Vermischung des Substrates
in Fermentern zu entnehmen.
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Am
Weitesten verbreitet sind im Bereich liegender Durchflussfermenter
in der Längsachse
des Fermenters zentral angeordnete Rührwellen, an die die Rührwerksschaufeln
radial befestigt sind. In diesen Fermentern übernehmen die Rührwerke
die zusätzlichen
Aufgaben des Substrattransportes durch den Fermenter und des Sinkstofftransportes
zu speziellen Sandaustragseinrichtungen. Zur Einbringung der für die bakterielle
Aktivität
optimalen Wärme
werden meist Heizleitungen an den Innenwänden des Fermenters verlegt.
Die Heizleitungen bestehen üblicherweise
aus Metall oder aus den für
Fußbodenheizungen
eingesetzten vernetzten PE-X/Aluminiumverbundrohren. Ein wesentlicher
Nachteil dieser im Biogasanlagenbau typischen Systeme besteht in
der Biofilmbildung an den Heizleitungen. Häufig werden die Heizleitungen
bereits nach kurzem Betrieb von nicht mehr durchmischbaren, dichten
Schichten umgeben, die den Wärmetransport
von den Heizleitungen in das Substrat behindern und zudem den zur
Vergärung
verfügbaren
Fermenterinhalt verkleinern. Der systemimmanente Heizleitungsbewuchs
zieht einen erhöhten
Wärme-
und Wartungsbedarf nach sich. Diese Nachteile gehen zu Lasten der
Effektivität
derartiger Biogasanlagen.
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Eine
weitere konstruktionsbedingte Schwachstelle solcher Fermenterkonstruktionen
ist der Durchtritt der Welle durch die Fermenterstirnwand. Schäden an der
Wellendichtung können
häufig nicht
ohne Ablassen des Fermenterinhaltes bis zur Lagerstelle beseitigt
werden.
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Die
Rührblätter in
den beschriebenen liegenden Fermentern reichen durch den kompletten
Fermenterradius. Der sich bei üblichen
Fermenterabmessungen ergebende lange Hebel verursacht hohe Drehmomentbelastungen
für alle
Bauteile des Rührwerkes.
Die unter diesen Bedingungen erreichten Drehzahlen sind gering.
Damit ist die am Rührblatt anliegende Überströmgeschwindigkeit
des Substrates ebenfalls gering. Als Folge der geringen Überströmung des
Substrates werden derartige Rührblätter häufig mit
dicken Biofilmen bewachsen, die die mechanische Last am Rührwerk weiter
erhöhen,
wodurch Energieverbrauch und Havarierisiko weiter steigen.
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In
der
DE 196 48 875
A1 wird eine Lösung
für den
heizleitungsfreien Eintrag von Wärme
durch Verwendung beheizbarer Rührwerkswellen
in liegenden Durchflussfermentern beschrieben. Dabei handelt es sich
um in Längsrichtung
des Fermenters angeordnete, parallele Rohrprofile, die von einem
Heizmedium durchströmt
werden. Die Rührwelle
ist an den Stirnwänden
des Fermenters gelagert. Der Antrieb ist an der Außenseite
des Fermenters auf die Welle geflanscht. Praktische Erfahrungen
mit dem System zeigen, dass die über
die Welle eingebrachte Wärme zur
Aufrechterhaltung optimaler Gärbedingungen ausreichend
ist. Zusätzliche
Heizleitungen sind meist nicht erforderlich.
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Unter
den dargestellten Betriebsbedingungen von Biogasanlagen können Schäden an Rührwerken
nicht vollständig
ausgeschlossen werden. Treten Schäden an einem in der Längsachse
eines liegenden Fermenters angeordneten Rührwerk auf, so muss der Fermenterinhalt
zumindest bis zur Lagerung der Welle abgelassen werden. Wie bereits
dargestellt zieht das neben dem Arbeitsaufwand und den Emissionen
einen Anlagenausfall von zwei bis drei Monaten nach sich. Rührwerksschäden sind
ein enormes Risiko für
derartige Anlagen.
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Neben
den liegend angeordneten bevorzugt als Durchflussfermenter konzipierten
Gärbehältern werden
häufig
stehende Fermenter eingesetzt. Besonders verbreitet sind Fermenter
mit radialsymmetrischen Querschnitt. Diese Rundbehälter werden
z.T. mittels um die Hauptachse des zylindrischen Behälters umlaufender
Rührwerke
durchmischt. Derartige Rührwerke übertragen
aufgrund der relativ langen Hebel hohe Drehmomente. Alle Bauteile
sind entsprechen robust auszulegen. Die relativen Rührblattgeschwindigkeiten
solcher Rührwerke
reichen meist nicht aus, um eine das Aufwachsen dicker Biofilme verhindernde
mechanische Überströmung des
Rührblattes
zu bewirken. In der Folge wachsen stabile mattenartige Beläge auf die
Rührblätter auf.
Die einzubringende Kraft und damit die Belastung der kraftübertragenden
Komponenten und des Antriebs steigt mit dem Bewuchs. Erhöhter Verschleiß, erhöhter Energiebedarf
und erhöhter
Wartungsaufwand sind die Folge.
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In
Rundfermentern werden auch Tauchmotorrührwerke eingesetzt. Problematisch
sind v.a. die dauerhafte Kapselung des Antriebs gegen das Substrat
sowie die mit den üblicherweise
geringen Rotorabmessungen einhergehende Kavitation. Pro Tauchmotorrührwerk kann
also nur relativ wenig mechanische Energie eingetragen werden. Tauchmotorrührwerke
eignen sich in Biogasanlagen allenfalls als Zusatzrührwerk oder
für die
Zusammenschaltung mehrerer Tauchmotorrührwerke.
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Alternativ
zu den genannten Rührwerken werden
in stehenden Rundfermentern häufig
so genannte Großflügelrührwerke
eingesetzt. Die Achse dieser Großflügelrührwerke stützt sich im Fermenterinnenraum
am Boden und oberhalb des maximalen Fermenterfüllstandes an der Behälterwand
ab. In der senkrechten Projektion von oben segmentiert die Rührwelle
den Fermenterkreis. Die Rührwelle
trägt üblicherweise
zwei bis drei trapezförmig
abgekantete Rechteckblechpaare als Rührblätter. Das schräg von außen oben
nach innen unten weisende Rührwerk bewirkt
sowohl eine Substratvermischung in horizontaler Richtung als auch
in radialer und zirkumpolarer Richtung. Damit ermöglicht es
eine effektive Durchmischung eines Rundbehälters, wobei aufgrund der im
Vergleich mit den beschriebenen zentral angeordneten Rührwerken
verringerten Rührblattlängen die anliegenden
Drehmomentlasten relativ gering sind. Die Bauteile können aufgrund
der niedrigen Belastungen relativ schwach dimensioniert werden.
Die zur Durchmischung erforderliche Energie ist relativ gering.
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Die
Lagerung der Großflügelrührwerke
erfolgt üblicherweise
in starr mit der Welle und dem Behälter verbundenen Druck- bzw.
Radiallagern. Diese starre Verbindung führt zu erheblichen Problemen bei
der Montage und im Betrieb. Bei der Montage der Rührwerke
können
leichte Abweichungen von den geplanten Maßen nicht mehr ausgeglichen
werden. Die Montage der starr gelagerten Rührwerke ist aufwändige Präzisionsarbeit.
Minimale Winkelabweichungen bei der Kernbohrung zur Aufnahme des oberen
Lagers führen
zu Spannungen in der Welle bzw. machen aufwändige Nacharbeit erforderlich.
Im Betrieb ergeben sich beim Rühren
der viskosen Masse starke Lasten, die komplett über die starr fixierte Welle
auf die starren Lager und letztendlich auf die Lageraufnahmen übertragen
werden. Hoher Lagerverschleiß und
Materialermüdung
sind die Folge.
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Die
stehenden Rundfermenter werden typischerweise mit ring- bzw. wendelförmig an
den Wänden
bzw. am Boden angebrachten Heizleitungen beheizt. Das in der
DE 203 00 794 U1 beschriebene System
zur Fermenterheizung vereinfacht die umständliche Anbringung von Heizleitungen
in Rundfermentern. Die prinzipielle Anfälligkeit derartiger Heizungssysteme
gegen Bewuchs mit den bereits dargestellten negativen Folgen kann
allerdings trotz des im Vergleich zu konventionellen Heizleitungsbefestigungssystemen
erhöhten
Abstands der Leitungen zur Wand nicht vollständig überwunden werden.
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In
der
DE 10 2004
027 077 A1 wird ein System zur Einbringung mechanischer
und thermischer Energie in stehende Fermentationsbehälter offenbart.
Dabei wird eine für
die Wärmeversorgung
eines Fermenters ausreichende Wärmemenge
alleine ohne zusätzliche
Heizvorrichtung mittels eines Rührwerkes
in den Fermenter transportiert. Diese Rührwerke sind einfach in der
Montage, wartungsarm und sie bleiben auch bei längerem Gebrauch soweit frei von
Bewuchs durch dicke Biofilme, dass ihre Funktion als Rührwerk nicht
beeinträchtigt
wird. Die Rührwelle
der in der
DE
10 2004 027 077 A1 beschriebenen Anlagen ist in einem Winkel
zwischen 35 ° und 55 ° gegen den
Boden und in einem Winkel zwischen 15 ° und 35 ° gegen die Verbindungslinie
zwischen Rührwellendurchtritt
durch die Behälterwand
und dem Behältermittelpunkt
geneigt. Innerhalb dieser Werte ergeben sich für niedrig bis mittel viskose
Medien sehr gute Substratvermischungen bei niedrigem Energiebedarf.
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Die
zunehmende Verwendung nachwachsender Rohstoffe (NaWaRo) in Biogasanlagen
und der damit einhergehende Trend zu hoch feststoffhaltigen Substraten
stellen veränderte
Anforderungen an die in den Fermentern eingesetzte Rührtechnik. Die
oben beschriebenen Systeme versagen bei den genannten hoch feststoffhaltigen
Substraten, welche Trockensubstanzgehalte von mehr als 8 aufweisen. Gründe dafür liegen
zum einen in der gestiegenen Viskosität der Medien, zum anderen in
dem durch die hohe Viskosität
behinderten Blasenauftrieb des entstehenden Biogases. Das Substrat
verändert
sich von einer dünnen,
grobe Feststoffpartikel enthaltenden Matrix in landwirtschaftlichen
Biogasanlagen über
eine relativ heterogene Dispersion mit eingeschränkter Beweglichkeit in gemischt
landwirtschaftlich/NaWaRo Anlagen bis hin zu schaumigen, homogenen
Breisubstraten in reinen NaWaRo Anlagen. Um auch reine NaWaRo Fermenter
ausreichend mit mechanischer und thermischer Energie versorgen zu können, bedarf
es neuer Rührkonzepte.
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Aus
dem geschilderten Stand der Technik geht hervor, dass die Einbringung
mechanischer Energie in Fermenter von Biogasanlagen gegenwärtig unbefriedigend
gelöst
ist.
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Darstellung
der Erfindung
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Hier
setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet
ist, liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Einbringung von
mechanischer Energie in Fermentationsbehälter bereitzustellen, die die
Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
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Diese
Aufgabe wird efindungsgemäß durch das
Rührwerk
zum Eintrag mechanischer Energie in stehend angeordnete Fermentationsbehälter gemäß unabhängigem Anspruch
1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen, der
Beschreibung und den Figuren.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Rührwerk zum Eintrag mechanischer
Energie in stehend angeordnete Fermentationsbehälter zur Verfügung. Das
Rührwerk
umfasst zumindest einen Antrieb, ein an der Wand des Fermentationsbehälters befestigtes wandseitiges
Rührwellenlager,
ein über
zumindest eine Abstützung
sich am Boden des Fermentationsbehälters abstützendes fermenterseitiges Rührwellenlager
und zumindest eine Rührwelle
mit zumindest einem, an der Rührwelle
befestigten Rührblatt. Erfindungsgemäß erstreckt
sich die Rührwelle
parallel zum Boden des Fermentationsbehälters von der Wand des Fermentationsbehälters in
Richtung der Hauptachse des Fermentationsbehälters.
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Durch
das erfindungsgemäße Rührwerk kann
eine ausreichende Menge an mechanischer Energie in stehend angeordnete
Fermentationsbehälter
eingebracht werden. Insbesondere können hoch viskose Substrate
ausreichend gerührt
werden. Durch die verhältnismäßig hohen Überströmgeschwindigkeiten
des Substrats an den Rührblättern bleiben
die erfindungsgemäßen Rührwerke
soweit frei von Bewuchs durch dicke Biofilme, dass ihre Funktion
als Rührwerk
auch bei längerem
Gebrauch nicht beeinträchtigt
wird.
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Das
erfindungsgemäße Rührwerk sorgt
darüberhinaus
alleine oder in Zusammenwirkung mit weiteren Rühr- bzw. Mischeinrichtungen
für eine
effektive Vermischung des Substrates in Rundfermentern. Insbesondere
wird der Ausbildung den Betrieb störender, stabiler Schwimm- und
Sinkschichten wirkungsvoll entgegengewirkt. Außerdem wird die Freisetzung
des im Substrat in Form von Blasen gebundenen Biogases unterstützt. Die
genannten Vorteile werden durch das erfindungsgemäße Rührwerk bei einem
gleichzeitig verhältnismäßig geringen
Rührenergiebedarf
erreicht.
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Bevorzugt
sind an der Rührwelle
mehrere Rührblätter befestigt,
insbesondere 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr Rührblätter. Die Rührblätter sind bevorzugt entlang
der Rührwellenachse
versetzt zueinander radial nach außen weisend an der Rührwelle
befestigt.
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Besonders
bevorzugt sind Ausführungsformen,
wonach die Rührblätter in
verschiedenen Umfangswinkeln an der Rührwelle befestigt sind. Der Begriff "Umfangswinkel" bezeichnet dabei
den Winkel, den ein Rührblatt
und eine beliebige, radial von der Rührwelle nach außen verlaufende
Referenzachse zueinander einschließen.
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Insbesondere
bevorzugt sind die einzelnen Rührblätter um
gleiche Bruchteile von 360° des
Umfangswinkels versetzt zueinander an der Rührwelle befestigt. Sind also
beispielsweise vier Rührblätter an
einer Rührwelle
befestigt, so schließen
benachbarte Rührblätter jeweils
einen Winkel von 90° zueinander
ein. Im Falle von 5 Rührblättern beträgt der Winkel
72°.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfassen die Rührblätter jeweils zwei Seitenteile
und zumindest ein Brückenprofil,
wobei die beiden Seitenteile durch das Brückenprofil miteinander verbunden
sind. Bevorzugt stehen die Seitenteile der Rührblätter senkrecht von der Rührwelle
ab. Durch eine solche Konstruktion wird eine besonders gute und
effektive Durchmischung des Fermentersubstrats bei gleichzeitig
relativ geringem Energieaufwand erreicht.
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Besonders
vorteilhafte Bedingungen ergeben sich, wenn die beiden Seitenteile
eines Rührblatts
in verschiedenen Umfangswinkeln an der Rührwelle angebracht sind. Dadurch
wird erreicht, dass die die Rührenergie
eintragenden Brückenprofile
schräg
zur Rührwelle
verlaufen. Besonders bevorzugt sind die beiden Seitenteile eines
Rührblatts
in um rund 15° differierenden
Umfangswinkeln an der Rührwelle angebracht.
Es stellt sich eine besonders gute und energiesparende Durchmischung
des Substrats ein.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Rührwerk um ein beheizbares Rührwerk.
In dieser vorteilhaften Ausgestaltung kann auch thermische Energie
in das Substrat eingebracht werden. Im Idealfall kann durch das
beheizbare Rührwerk
alleine ohne zusätzliche
Heizvorrichtung eine für
die Wärmeversorgung
eines Fermenters ausreichende Wärmemenge
in den Fermenter transportiert werden. Darüberhinaus werden auch schwach
wärmeleitfähige Substrate
ausreichend mit thermischer Energie versorgt.
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Vorteilhafterweise
handelt es sich bei der beheizbaren Rührwelle um ein doppelwandiges
Rohrsystem, wobei als inneres Rohr eine Kunststoffleitung verwendet
wird, die an den Vorlauf eines Wärme transportierenden
Mediums angeschlossen ist. Um einen besonders guten Wärmeeintrag
in das Substrat zu gewährleisten,
endet die Kunststoffleitung in der Nähe des fermenterseitigen Rührwellenlagers.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem äußeren Rohr
um ein Metallrohr, das den Rücklauf
des Wärme
transportierenden Mediums bildet. Dadurch ergibt sich ein weiter
verbesserter Wärmeeintrag
in das Substrat, der durch das Anbringen von Wärmeleitblechen an der Rührwelle noch
gesteigert werden kann. Die Rührblätter können in
diesem Fall vorteilhafterweise an den Wärmeleitblechen befestigt werden.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst auch einen Fermenter für Biomasse,
der mit zumindest einem der oben beschriebenen Rührwerke ausgestattet ist. In
Abhängigkeit
von der Größe des Fermenters
und der zu bewegenden Menge an Substrat kann der Fermenter vorteilhafterweise
2, 3, 4, 5, 6 oder noch mehr Rührwerke
aufweisen.
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Sind
in dem Fermenter zwei Rührwerke
installiert, so liegen die beiden Rührwellen der Rührwerke
vorteilhafterweise in einer Ebene. Gemäß einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
sind die beiden Rührwellen
der Rührwerke
in unterschiedlichem Abstand vom Boden des Fermenters angebracht.
Besonders bevorzugt beträgt
der Abstand der ersten Rührwelle
vom Boden des Fermenters rund das Doppelte des Abstands der zweiten
Rührwelle vom
Boden des Fermenters.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
befinden sich die beiden Rührwerke
somit an einander gegenüber
liegenden Positionen im Fermenter, sie sind also um 180° zueinander
versetzt. Durch eine solche Anordnung wird eine möglichst
gleichmäßige Verteilung
der eingebrachten mechanischen Energie über das gesamte Fermentervolumen
erreicht. Ebenfalls diesem Ziel dient das Montieren der beiden Rührwerke
auf unterschiedlichen Höhen über dem
Fermenterboden. Die Rührwerke
sind spiegelbildlich aufgebaut und werden gegenläufig zueinander angetrieben.
Das obere Rührwerk
wird dabei so montiert, dass die Rührblätter den oberen Substratfüllstand auf
jeden Fall durchbrechen. Die Rührwelle
des unteren Rührwerks
befindet sich bevorzugt auf einem Höhenniveau mit der tiefsten
Position der Rührblätter des
oberen Rührwerks.
Dadurch entstehen im Rührbetrieb
drei Rührzonen,
wobei die mittlere Rührzone in
Gegenrichtung zur oberen und unteren Zone umläuft.
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Sind
in einem Fermenter drei erfindungsgemäße Rührwerke installiert, so schließen die
Achsen der Rührwellen
bevorzugt einen Winkel von 120° zueinander
ein. Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
sind die drei Rührwellen
der Rührwerke
in unterschiedlichem Abstand vom Boden des Fermenters angebracht.
Besonders bevorzugt beträgt
der Abstand der ersten Rührwelle
vom Boden des Fermenters rund das 1,5fache des Abstands der zweiten
Rührwelle
vom Boden des Fermenters und rund das dreifache des Abstands der
dritten Rührwelle
vom Boden des Fermenters beträgt.
Durch eine solche Anordnung wird eine möglichst gleichmäßige Verteilung
der eingebrachten mechanischen Energie über das gesamte Fermentervolumen
erreicht. Ebenfalls diesem Ziel dient das Montieren der drei Rührwerke
auf unterschiedlichen Höhen über dem
Fermenterboden. Wie bereits für
den Fall von zwei Rührwerken
beschrieben, wird das obere Rührwerk
so montiert, dass die Rührblätter den
oberen Substratfüllstand
auf jeden Fall durchbrechen. Die Rührwelle des mittleren Rührwerks
befindet sich bevorzugt auf einem Höhenniveau mit der tiefsten
Position der Rührblätter des
oberen Rührwerks, während sich
die Rührwelle
des unteren Rührwerks
bevorzugt auf einem Höhenniveau
mit der tiefsten Position der Rührblätter des
mittleren Rührwerks
befindet. Dadurch entstehen im Rührbetrieb
wiederum drei Rührzonen, wobei
die mittlere Rührzone
in Gegenrichtung zur oberen und unteren Zone umläuft.
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Sind
in einem Fermenter vier erfindungsgemäße Rührwerke installiert, so schließen die
Achsen der Rührwellen
bevorzugt einen Winkel von 90° zueinander
ein. Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
sind die vier Rührwellen
der Rührwerke
in unterschiedlichem Abstand vom Boden des Fermenters angebracht.
Besonders bevorzugt beträgt
der Abstand der ersten Rührwelle
vom Boden des Fermenters rund 4/3 des Abstands der zweiten Rührwelle
vom Boden des Fermenters, rund das Doppelte des Abstands der dritten
Rührwelle
vom Boden des Fermenters und rund das Vierfache des Abstands der
vierten Rührwelle
vom Boden des Fermenters. Durch eine solche Anordnung wird wiederum
eine möglichst
gleichmäßige Verteilung
der eingebrachten mechanischen Energie über das gesamte Fermentervolumen
erreicht. Ebenfalls diesem Ziel dient das Montieren der vier Rührwerke
auf unterschiedlichen Höhen über dem
Fermenterboden. Wie bereits für
den Fall von zwei und drei Rührwerken
beschrieben, wird das obere (erste) Rührwerk so montiert, dass die
Rührblätter den
oberen Substrattüllstand
auf jeden Fall durchbrechen. Die Rührwelle des zweiten Rührwerks
befindet sich bevorzugt auf einem Höhenniveau mit der tiefsten
Position der Rührblätter des
oberen Rührwerks,
während
sich die Rührwelle
des dritten Rührwerks
bevorzugt auf einem Höhenniveau
mit der tiefsten Position der Rührblätter des
zweiten Rührwerks
befindet und sich die Rührwelle
des vierten (unteren) Rührwerks
bevorzugt auf einem Höhenniveau
mit der tiefsten Position der Rührblätter des
dritten Rührwerks
befindet. Dadurch entstehen im Rührbetrieb
wiederum drei Rührzonen,
wobei die mittlere Rührzone
in Gegenrichtung zur oberen und unteren Zone umläuft.
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Es
versteht sich, dass in noch großvolumigeren
Fermentern in der geschilderten Weise 5, 6, 7, 8 oder noch mehr
Rührwerke
installiert werden können.
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Zur
Gewährleistung
stabiler Fermentationsbedingungen wird eine radiale Strömung des
Substrats entlang der Fermenterwand gewünscht. Bei der dargestellten
Rührblattanordnung
muss das von dem der Fermenterwand benachbarten äußeren Rührblatt bewegte Substrat für einen
kompletten Umlauf um die Fermenterhauptachse eine längere Strecke
zurücklegen,
als das von den weiter innen im Fermenter liegenden Rührblättern bewegte
Substrat. Bei höheren
Drehzahlen des Rührwerks
kommt es insbesondere bei den weiter innen im Fermenter liegenden Rührblättern zu
einer unbefriedigenden Umsetzung der eingebrachten mechanischen
Energie in radiale Strömung
des Substrats. Werden dagegen sehr niedrige Drehzahlen angewendet,
so kommt es insbesondere bei den in der Nähe der Fermenterwand angebrachten
Rührblättern zwar
zu einer annähernd
idealen radialen Bewegung des Substrats, allerdings liegt auch in
diesem Fall ein unbefriedigender Eintrag an mechanischer Energie
vor, da aufgrund der geringen Drehzahlen die Gesamtmenge an eingebrachter
mechanischer Energie zu gering ist.
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Um
diese beiden gegenläufigen
Bedingungen möglichst
gut zu erfüllen,
muss die Länge
der Rührwelle
an die typischen Drehzahlen des Rührwerks in stehenden Fermentern
angepasst werden. Besonders gut gelingt dies, wenn die Länge der Rührwelle
maximal 75% des Fermenterradius beträgt. Insbesondere bevorzugt
beträgt
die Länge
der Rührwelle
maximal 66% des Fermenterradius und ganz besonders bevorzugt beträgt die Länge der Rührwelle
maximal 50% des Fermenterradius.
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Selbstverständlich muss
die Rührwelle
eine gewisse Mindestlänge
aufweisen, da sie ein oder mehrere Rührblätter trägt. Die Länge der Rührwelle beträgt daher
bevorzugt mindestens 25% des Fermenterradius. Insbesondere bevorzugt
beträgt
die Länge
der Rührwelle
mindestens 33% des Fermenterradius und ganz besonders bevorzugt
beträgt
die Länge
der Rührwelle
mindestens 50% des Fermenterradius.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegt die Länge der Rührwelle im Bereich des halben
Radius des Rundfermenters. Bei dieser Rührwellenlänge ist der Unterschied in
den rührblattspezifischen
Substrat-Umlaufwegen einerseits relativ gering, andererseits kann
bei typischen Drehzahlen von etwa 12 UPM genügend mechanische Energie eingetragen werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Zur
Illustration der Erfindung und zur Verdeutlichung ihrer Vorzüge werden
nachfolgend Ausführungsbeispiele
angegeben. Diese Ausführungsbeispiele
sollen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es versteht sich
von selbst, dass diese Angaben die Erfindung nicht beschränken sollen.
Es zeigen
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1 eine
bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in der senkrechten Projektion von oben. Dargestellt ist eine Hälfte eines
Rundfermenters;
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2 eine
bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in der senkrechten Projektion von der Seite. Dargestellt ist eine
Hälfte
eines Rundfermenters;
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3 eine
bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in der senkrechten Projektion von der Seite. Es ist ein Fermenter
mit zwei Rührwerken
dargestellt.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Das
in der 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Rührwerk zum
Eintrag mechanischer Energie in stehend angeordnete Fermentationsbehälter umfasst
einen Antrieb 3, ein an der Fermenterwand befestigtes wandseitiges
Rührwellenlager 6,
ein über
zwei Abstützungen 7 sich
am Boden des Fermentationsbehälters
abstützendes
fermenterseitiges Rührwellenlager 5,
eine Rührwelle 2 mit vier
an der Rührwelle 2 befestigten
Rührblättern 4. Die
heizbare Rührwelle 2 verläuft parallel
zur Bodenfläche
des stehenden Rundfermenters von außen durch die Fermenterwand 1 in
Richtung der Hauptachse des Fermenters. Die Rührwelle wird mittels des außen mit
der Welle verbundenen Antriebs 3 bewegt. Auf der Welle 2 befinden
sich vier radial von der Welle weg zeigende Rührblätter 4.
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Die
heizbar ausgeführte
Rührwelle 2 ist
als doppelwandiges Rohr gefertigt. In dem in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung handelt es sich bei der Rührwelle 2 um ein Metallrohr, in
das eine dünnere
Kunststoffleitung eingezogen ist. Die Kunststoffleitung endet offen
kurz vor dem fermenterseitigen Wellenlager 5. Sie ist am
Heizungsvorlauf angeschlossen und führt das warme Heizmedium in
die Welle. Das äußere Metallrohr
gibt der Welle die nötige
mechanische Stabilität
und sorgt für den
Wärmeaustausch
des Heizmediums mit dem Substrat.
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Bei
den Rührblättern handelt
es sich um zwei über
Wärmeleitbleche
an der Rührwelle
befestigte, stehende Seitenteile, die über vier Brückenprofile miteinander verbunden
sind. Die Seitenteile sind üblicherweise
aus Blech gefertigt und weisen eine Dicke von bis zu einem Zentimeter
und mehr auf. Die beiden stehenden Seitenteile können auf der Rührwelle
um mehrere Grad gegeneinander verdreht sein, so dass die die Rührenergie
eintragenden Brückenelemente
schräg
zur Rührwelle
verlaufen. An der Rührwelle 2 sind
vier Rührblätter 4 mit
einem Versatz von 90° montiert.
Die Welle 2 ist im fermenterseitigen Wellenlager 5 und
im wandseitigen Wellenlager 6 drehbar gelagert. Das fermenterseitige
Lager 5 stützt
sich über
zwei Abstützungen 7 am
Fermenterboden ab.
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Rundfermenter
mit einem Volumen bis zu 1200 m3 werden
bevorzugt mit einem Rührwerk
ausgerüstet.
Das Rührwerk
wird dabei so montiert, dass die Rührblätter den oberen Substratfüllstand
auf jeden Fall durchbrechen.
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Rundfermenter
mit einem Volumen von 1200 m3 bis zu 2400
m3 werden bevorzugt mit zwei Rührwerken
ausgerüstet.
Die beiden Rührwerke
befinden sich an einander gegenüber
liegenden Positionen (180° Versatz)
im Fermenter. Dabei werden die beiden Rührer auf unterschiedlichen
Höhen montiert. Die
Rührer
sind spiegelbildlich aufgebaut und werden gegenläufig zueinander angetrieben.
Das obere Rührwerk
wird, wie in 3 dargestellt, dabei so montiert,
dass die Rührblätter den
oberen Substratfüllstand
auf jeden Fall durchbrechen. Die Rührwelle des unteren Rührwerks
befindet sich bevorzugt auf einem Höhenniveau mit der tiefsten
Position der Rührblätter des
oberen Rührwerks.
Im Rührbetrieb entstehen
dabei 3 Rührzonen,
wobei die mittlere Rührzone
in Gegenrichtung zur oberen und unteren Zone umläuft.
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Rundfermenter
mit einem Volumen von über 2400
m3 werden bevorzugt mit drei oder mehr Rührwerken
ausgerüstet.
Die drei Rührwerke
werden gleichmäßig an der
Fermenterwand verteilt (120° Versatz)
und auf unterschiedlichen Höhen
montiert. Das obere Rührwerk
wird dabei so montiert, dass die Rührblätter den oberen Substratfüllstand
auf jeden Fall durchbrechen. Die Rührwelle des mittleren Rührwerks
befindet sich bevorzugt auf einem Höhenniveau mit der tiefsten
Position der Rührblätter des oberen
Rührwerks.
Entsprechendes gilt für
die Höhendifferenz
zwischen unteren und mittleren Rührwerk.
Der Abstand der oberen Rührwelle
vom Boden des Fermenters beträgt
somit rund das 1,5fache des Abstands der mittleren Rührwelle
vom Boden des Fermenters und rund das dreifache des Abstands der unteren
Rührwelle
vom Boden des Fermenters. Im Rührbetrieb
entstehen dabei wiederum 3 Rührzonen, wobei
die mittlere Rührzone
in Gegenrichtung zur oberen und unteren Zone umläuft.
-
- 1
- Fermenterwand
- 2
- Rührwelle
- 3
- Antrieb
- 4
- Rührblätter
- 5
- Wellenlager
fermenterseitig
- 6
- Wellenlager
wandseitig
- 7
- Abstützung
- 8
- Flüssigkeitsstand