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Gärungsverfahren und Vorrichtung zur DurchfUhrung dieses Verfahrens
Die üblichen Gärungsverfahren, die unter Verwendung eines mit einem RUhrer versehenen
Gärungstanks durchgeführt werden, weisen drei Nachteile auf, und zwar einen hohen
Energieverbrauch, die Schwierigkeit, den Inhalt des Tanks gleichmässig zu vermischen
sowie eine sich schwierig gestaltende Verfahrensdurchführungw wenn eine Gärung in
grossem Maßstabe durchgeführt werden soll.
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Aufgabe der Erfindung ist die Beseitigung der vorstehend geschilderten
Nachteile.
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Durch die Erfindung wird ein durch zwei Kräfte aktiviertes Umlaufgärungsverfahren
zur Verfügung gestellt, wobei ein Gärungsgefäss verwendet wird, das eine Einrichtung
zum Sammeln und Entfernen des Schaumes vorsieht. Unter Verwendung dieser Vorrichtung
lässt sich eine GärungsflUssigkeit in ausgeseich neter Weise gären. Bei der Durchfllhrung
des erfindungsgemässen Verfahrens werden sowohl die vergorene Plüssigkeit als auch
Linie
Schäume mittels Luft bzw. einer Entfernungseinrichtung in Umlauf versetzt. Innerhalb
des Gärungsgefässes ist ein mit einem Mantel versehener Tunnel vorgesehen. Die umlaufende
Fldssigkeit innerhalb des Tanks kann zyklisch in den mit dem Mantel versehenen Tunnel
sowie aus diesem heraus zirkulieren. Was die angereicherten Schäume und Öle betrifft,
die auf der Oberfläche der Gärlösung schwimmen (die Hauptmenge der Zellen befindet
sich in der Schaumschicht), so ist eine äussere Umlaufroute durch die Einrichtung
zum Sammeln des Schaums, zum Brechen desselben sowie zu seiner Entfernung, wobei
diese Einrichtungen in Reihe geschaltet sind, vorgesehen, wobei diese Route zurUck
in das Gärungsgefäss führt. Das erfindungsgemässe Verfahren sowie die zu seiner
Durchftihrung eingesetzte Vorrichtung eignen sich besonders zum aeroben und/oder
anaeroben ZUchten von Mikroorganismen sowie zur Durchführung von Verfahren unter
Verwendung derartiger Organismen.
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Das durch zwei Kräfte aktivierte Umlaufgärungsverfahren gemäss vorliegender
Erfindung bietet folgende Vorteile: 1. Geringer Energieverbrauch. In der Gärungsindustrie
wurden bisher alle Verfahren unter Verwendung eines Gärungsgefässes durchgeführt,
in welchem sich eine mechanische Einrichtung, wie beispielsweise ein Propeller oder
ein FlUgelrad, befindet. Daher verbrauchen die bekannten Verfahren viel Energie.
Das erfindungsgemässe, durch zwei Kräfte aktivierte Umlaufgärungsverfahren bewirkt
ein kräftiges RUhren in der Weise, dass eine bestimmte Luftmenge in das Gärungsgefäss
eingeleitet wird, wodurch die Gärfldssigkeit innerhalb des Gärungsgefässes in einen
turbulenten Umlauf nach dem Prinzip des Drucklufthebers gebracht wird. Daher wird
der Wirkungsgrad der Kräfte gesteigert, wobei ferner der Energieverbrauch merklich
vermindert wird.
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2. Erhöhte Kapazität. Bei der Durchführung der üblichen Gärungsverfahren
ist das Verhältnis zwischen der pro Volumen der Gärlösung verbrauchten Energie und
dem Gesamtvolumen der Gärlösung nicht konstant, d.h., je grösser das Volumen der
Gärlösung ist, desto grösser ist der entsprechende Energieverbrauch pro Volumeneinheit
der Gärlösung. Daher ist die Kapazität bei der Durchführung der bisher bekannten
Verfahren begrenzt. Ferner treten Schwierigkeiten bei der mechanischen Ausgestaltung
des Gärungsgefässes auf. Es ist praktisch unmöglich, eine annehmbare Vorrichtung
zu entwerfen. Da es unnötig ist, die Lösung unter Verwendung einer mechanischen
Einrichtung zu rühren, ist das Verhältnis der pro Volumeneinheit der Gärlösung verbrauchten
Energie zu dem Gesamtvolumen an Gärlösung konstant. Das durch zwei Kräfte aktivierte
Umlaufgärungsverfahren~unter Anwendung des Prinzips des Drucidufthebers lässt sich
ohne weiteres in grossem Maßstabe durchführen. In diesem Zusammenhang sei auf die
nachfolgenden Tabellen und graphischen Darstellungen hingewiesen.
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3. Hoher Gärungswirkungsgrad bei kräftigem Rühren. Übliche Gärungsverfahren
unter Anwendung mechanischer Rühreinrichtungen können kein gründliches Rühren und
Vermischen, insbesondere bei einer Durchführung in grossem Maßstab, bei der Durchführung
einer Erdölgärung gewährleisten. Der Grund liegt darin, dass eine sehr stabile Schicht
aus an Zellen angereicherten Schäumen und Ölen gebildet wird, die auf der Oberfläche
der Gärungslösung schwimmt (die Hauptinenge der Zellen ist innerhalb der Schaumschicht
konzentriert). Folglich ist es schwierig, die konzentrierten Zellen aus der Schaumschicht
erneut in das Gärungssystem durch mechanisches Rühren zurückzubringen Daher ist
der Wirkungsgrad der bisher bekannten Gärungsverfahren sehr begrenzt.
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Erfindungsgemäss wird die Schicht aus Schäumen zusammen mit Ölen aus
der Gärungseinrichtung in eine Einrichtung zum Brechen des Schaums herausgedrückt,
worauf eine erneute Zurückführung in die Gärungseinrichtung über eine äussere zyklische
Route erfolgt. Auf diese Weise bietet sich den Mischungen aus Schäumen und Ölen
die Gelegenheit zu einem gründlichen und gleichmässigen Vermischen infolge des turbulenten
Umlauffliessens der Flüssigkeit während der Verarbeitung. Dabei können die höchsten
Konzentrationen an Zellen und Ölen innerhalb der Gärungslösung konstant gehalten
werden. Dies bedeutet, dass bei der DurchfUhrung dieses Verfahrens Wirkungsgrade
erhalten werden, die bei der Durchführung der bekannten Verfahren unter Anwendung
eines mechanischen Rührens nicht möglich waren.
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4. Günstiger Wärmeübergang ohne zusätzliche EWhleinrichtungen.
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Im allgemeinen müssen bei der DurchfUhrung von Gärungsverfahren, insbesondere
bei der Durchführung von Erdölgärungsverfahren, die Wärmen, die durch die Oxydationsreaktion
innerhalb des Gärungssystems erzeugt werden, durch Kühleinrichtungen entfernt werden,
die an der Gärungseinrichtung angebracht werden müssen, um eine optimale Temperatur
zum Wachsen von Mikroorganismen aufrecht zu erhalten. Erfindungsgemäss werden grosse
Eühloberflächen auf der Wand der Gärungseinrichtung und des mit einem Mantel versehenen
Drucklufthebertunnels ausgebildet, die als KWhlwassermantel wirken.
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Sowohl das turbulente Fliessen der Gärlösung innerhalb des Gärsystems
als auch die stark erhöhte Reynold-Zahl werden bei Anwendung des durch die Druckluftheberwirkung
bewirkten Umlaufs erhöht. Daher wird der Widerstand des aus der flUseigen Phase
bestehenden Films entsprechend vermindert. Das Anhaften an die innere Wand der Gärungsvorrichtung
wird ebenfalls
herabgesetzt. Folglich bewirkt dieses Verfahren einen
Wärmeübergang, der besser ist als bei den anderen üblichen Gärungsverfahren unter
Verwendung von Propellern oder Flügelrädern sowie unter Anwendung des Drucklufthebersystems.
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Das durch zwei Kräfte bewirkte Umlaufgärungsverfahren gemäss vorliegender
Erfindung trägt auch teilweise Wasserdampf aus dem System aus, und zwar durch Anwendung
der Temperaturänderung der Luft, so dass der Wärmeübergang des Systems verbessert
wird.
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Daher ist es nicht notwendig, weitere Kühleinrichtungen vorzusehen.
Folglich sind die Anlagekosten und die Produktionskosten niedrig.
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5. Es wird eine geringe Luftmenge benötigt. Die Menge an benötigter
Luft bei der Durchführung von Erdölgärungsverfahren ist so gross, dass die Luftzufuhr
einen wesentlichen Kostenfaktor darstellt. Das erfindungsgemässe Gärungsverfahren
ermöglicht es, dass Teile der Luft, die während der Gärung freigesetzt werden, zusammen
mit Schäumen rezyklisiert werden. Daher begünstigt das Verfahren die Ausnützung
des Sauerstoffs in der Luft, so dass die erforderliche Luftmenge merklich reduziert
wird.
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Zur Erreichung der vorstehend geschilderten Ziele sieht die Erfindung
ein durch zwei Kräfte aktiviertes Umlaufsystem vor, die über einen inneren und einen
äussereg Weg bezüglich der gegorenen Flüssigkeit bzw. der Schäume wirken. Innerhalb
der Gärungsvorrichtung ist ein mit einem Mantel versehener Tunnel vorgesehen, dessen
Fuss auf einer flachen Platte befestigt ist, die sich an dem Boden der Gärungseinrichtung
befindet. Der untere Teil des mit einem Mantel versehenen Tunnels, der an die flache
Platte angrenzt, ist mit Löchern versehen, während der obere Teil des Tunnels zu
einer trichterähnlichen Form aufgeweitet ist. Die Platte auf dem Teil ausserhalb
des mit einem Mantel
versehenen Tunnels ist mit einer Vielzahl von
eng zueinander zugeordneten Löchern versehen, welche dazu dienen, die eingeblasene
Luft durchzulassen, während der Teil unterhalb des mit dem Mantel versehenen Tunnels
blind ist.
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Während des Verfahrens wird komprimierte Luft aus einer nichtgezeigten
Quelle in die Gärungseinrichtung aus dem Boden durch die perforierte Platte eingeleitet
und zwingt die Gärungslösung ausserhalb des mit dem Mantel versehenen Tunnels zu
einer Aufwärtsbewegung und dann zu einem i5berlaufen über den Tunnel in den mit
dem Mantel versehenen Tunnel sowie zu einem Fliessen in Abwärtsrichtung sowie in
einer Richtung nach aussen. Daher stellt sich innerhalb der Gärungseinrichtung ein
Zirkulationssystem mit einem reissenden turbulenten Fliessen ein. Eine Einrichtung
zum Sammeln von Schaum ist an dem oberen Teil der Gärungseinrichtung vorgesehen.
Die Einrichtung zum Sammeln von Schaum besitzt die Form eines oben offenen und nach
unten gerichteten Trichters, der bezüglich der Leitung einstellbar ist, die auf
der Gärungseinrichtung in einem bestimmten Abstand befestigt ist.
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Durch Einstellen des Trichters kann die Schaumschicht, die während
des Gärungsverfahrens erzeugt wird, kontinuierlich gesammelt und aus der Gärungseinrichtung
in den Schaumbrecher transportiert werden, in welchem der Schaum gebrochen wird.
Der erhaltene Umlauf einer Flüssigkeit, die mit Öl und Zelle angereichert ist, beschleunigt
den Umlauf in die Gärungseinrichtung.
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Der Schaumbrec-her 15 (Figur 1, 3, 4 und 5) ist derartig ausgelegt,
dass eine grosse Luftmenge aus der Gärungseinrichtung ausgetrieben wird, während
die zurückbleibende Luft in Form einer sehr kleinen Blase in der abgetrennten Flüssigkeit
vorliegt und erneut in die Gärlösung mittels einer Düse eingeleitet wird. Ein Lufteinlassrohr
ist mit dem Boden des Gärungsgefässes
verbunden, um die Luft auszugleichen,
die.aus dem Schaumbrecher ausgetrieben wird. Die zugeführte Luft wird von einer
äusseren Quelle zugeleitet.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen
näher beschrieben. Es zeigen: Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform
der Erfindung.
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Figur 2 einen Querschnitt durch die Gärungseinrichtung.
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Figur 3 einen Längsschnitt durch einen Schaumbrecher.
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Figur 4 einen Querschnitt durch einen Schaumbrecher.
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Figur 5 einen Querschnitt längs der Linie A-A von Figur 3 und die
Figuren 6A und 6B einen Vergleich der pro Volumeneinheit erforderlichen Energie
bei Verwendung einer bisher bekannten Vorrichtung sowie bei Einsatz der erfindungsgemäsen
Vorrichtung.
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Die Figur 1 zeigt den wesentlichen Aufbau eines durch zwei Kräfte
aktivierten Umlaufgefässes, das zur Durchführung der Erfindung eingesetzt wird.
Dabei ist die Gärungseinrichtung 6 mit einem mit einem Mantel versehenen Tunnel
4 ausgerüstet.
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Die Gärungseinrichtung 6 besitzt eine Wand 7 und einen Kühlmantel
8. Der Fuss des mit einem Mantel versehenen Tunnels ist auf einer flachen Platte
5 befestigt, die sich an dem unteren Teil der Gärungseinrichtung befindet. Vorzugsweise
ist der Fuss angeschweisst. Das Verhältnis Tunnel zu Gärungseinrichtung bezüglich
Höhe und Durchmesser kann beliebig sein, vorausgesetzt, dass die erzwungene Zirkulation
möglich ist.
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Die flache Platte 5 ist mit einer Vielzahl von eng einander zugeordneten
Löchern versehen, durch welche Luft durchströmen kann. Sowohl die Gärungseinrichtung
als auch der mit dem Mantel versehene Tunnel sind mit Wänden versehen, in denen
Kühlwasser strömen kann.
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Bin trichterähnlicher Schaumsammler 11 befindet sich auf der Oberseite
der Gärungseinrichtung. Der Schaumsammler ist bezüglich zu dem Auslass des Rohres
13 in einem gewissen Abstand einstellbar. Die von dem Sammler gesammelten Schäume
werden in den Schaumbrecher 15 durch die Leitung 13 transportiert.
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Der Schaumbrecher 15 besitzt eine Prallplatte 20, mit deren Hilfe
die Luft aus dem Schaum entfernt wird. Die Flüssigkeit, in der sich eine bestimmte
Menge Luftblasen befindet, fliesst in Abwärtsrichtung in die Leitung 17 und dann
in die Düse 18, in welcher der abgetrennte Schaum in die Gärungseinrichtung 6 durch
einen Flüssigkeitsstrom gepresst wird, der aus der G§rungseinrichtung abgezogen
wird. Der reissende Strom aus der Düse fliesst durch die Seitenwand in die Gärungseinrichtung.
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Die Figur 2 zeigt den Querschnitt der Gärungseinrichtung 6. Die Figur
3 zeigt eine Längsansicht des Schaumbrechers 15. Die Figur 4 zeigt einen Querschnitt
durch den Schaumbrecher 15.
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Die Figur 5 zeigt einen Querschnitt längs der Linie A-A von Figur
3. Besonders gute Ergebnisse werden erhalten, wenn das Verhältnis zwischen der Höhe
des mit dem Mantel versehenen Tunnels zu der Gärungseinrichtung 0,5 ibis 0,9 beträgt,
und das Verhältnis des Durchmessers des mit dem Mantel versehenen Tunnels zu dem
Durchmesser der Gärungseinrichtung zwischen 0, 1 und 0,4 liegt.
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Zu der durch die Figuren 1 bis 5 wiedergegebenen AusfUhrungsform gehören
ein Einlass 1 für die Zufuhr von Rohmaterial, ein Lufteinlassrohr 2, ein Rohr 3,
der mit einem Mantel versehene
Tunnel 4, eine flache Platte 5,
die Gärungseinrichtung 6, eine zylindrische Wand 7 der Gärungseinrichtung, ein Kühlwassermantel
8 der Gärungseinrichtung, der mit Einlass- und Auslassrohren (nicht mit Bezugszahlen
versehen) versehen ist, ein zylindrischer ummantelter Tunnel 9, ein Kühlwassermantel
10 des mit einem Mantel versehenen Tunnels, der mit nicht mit Bezugszahlen versehenen
Einlass- und Auslassrohren versehen ist, ein Schaumsammler 11, eine Einstelleinrichtung
12, ein Auslassrohr 13, ein Schaumbrecher 15, ein Abgasauslass 16, eine Leitung
17, eine Düse 18, eine Leitung 19, die mit einer Pumpe 21 verbunden ist, sowie die
Prallplatte 20 des Schaumbrechers.
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Die erfindungsgemäss durchgeführte doppelt erzwungene Zirkulation
(Gärungslösung und Schäume) ermöglicht einen ausgezeichneten Wirkungsgrad des Sauerstofftransports
und ein im wesentlichen vollständiges Vermischen der Kulturmedien mit den Zellen.
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Daher ist der Gärungswirkungsgrad grösser als im Falle der bekannten
Verfahren.
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Nachfolgend werden Vergleichsbeispiele angegeben, bei deren Durchführung'
übliche Verfahren angewendet wurd'en, die unter Verwendung von Gärungseinrichtungen
mit mechanischen Einrichtungen arbeiten, sowie Beispiele für das erfindungsgemässe
doppelt erzwungene Umlaufgärungsverfahren, das unter Verwendung einer Gärungseinrichtung
mit einer Druckluftheberwirkung arbeitet.
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Beispiel 1 Ein 3000 l-Medium wird in eine Waldhaf-Gärvorrichtung mit
einem Fassungsvermögen von 6000 1 gegossen. Diese Vorrichtung wird zur Durchführung
der üblichen Gärungsverfahren eingesetzt.
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Nach einer 40-stUndigen Gärung bei einem pH von 3,0 bis 4,0, bei einer
Temperatur von 34 + 1"C und bei einer Luftbeschickungsgeschwindigkeit
von
10 vvm ( wird eine Zellenkonzentration von 2 g/100 ml erhalten, wobei der Energieverbrauch
6,3 HP/kl und die Produktionsrate 60 % betragen.
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Beispiel 2 Ein 65 000 l-Medium, und zwar das gleiche, das zur Durchführung
des Beispiels 1 verwendet wird, wird in eine Waldhaf-Gärvorrichtung mit einem Fassungsvermögen
von 180 000 1 eingefüllt.
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Nach 46-tEndiger Gärung unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel
1 wird eine Zellenkonzentration von 2 g/100 ml bei einem Energieverbrauch von 6,8
Hp/kl und einer Produktionsrate von 31,2 % erhalten.
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Beispiel 3 Das Medium von Beispiel 1 wird in einer Menge von 6 000
1 in eine Gärungsvorrichtung des Drucklufthebertyps mit einem Fassungsvermögen von
8 000 1 eingefüllt. Diese Vorrichtung wird vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemässen
Verfahrens eingesetzt. Nach 38-stUndiger Gärung unter den gleichen Bedingungen wie
im Falle der vorhergehenden Beispiele wird eine Zellenkonzentration von 3,5 g/100
ml bei einem Energieverbrauch von 1,5 bis 3,0 HP/kl erhalten. Die Produktionsrate
beträgt 85 %.
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Beispiel 4 100 000 1 des Mediums von Beispiel 1 werden in eine erfindungsgemässe
Gärungseinrichtung des Drucklufthebertyps eingefüllt.
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Nach 35-stUndiger Gärung unter den vorstehend erwähnten Bedingungen
wird eine Zellenkonzentration von 3,1 bis 4,0 g/100 ml erhalten, wobei der Energieverbrauch
1,5 bis 3,0 HP/kl beträgt.
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Die Produktsrate wird zu 87,5 % ermittelt.
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Unter den gleichen Bedingungen sind wenigstens 72 Stunden erforderlich,
um die gleichen Ergebnisse bei der Verwendung des üblichen unter Rühren durchgeführten
Verfahrens zu erzielen, während erfindungsgemäss nur 36 Stunden benötigt werden.
Der Energieverbrauch des erfindungsgemässen Verfahrens ist nur halb so gross wie
derjenige des üblichen Verfahrens. Bei einer Anwendung auf eine Erdölgärung erreicht
die Konzentration der Zellen in der Gärbrühe im Falle der bekannten Vorrichtung
kaum 2 %, während die Konzentration im Falle der vorliegenden Erfindung immer höher
als 3,5 %0 ist. Auch der hohe Wirkungsgrad des Wärmeübergangs durch den Kühlwassermantel
und den mit einem mantel versehenen Tunnel macht es möglich, dass die Gärungstemperatur
ohne die Verwendung von äusseren Wärmeaustauschern leichter steuerbar ist.
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Im Vergleich zu üblichen Verfahren wird bei der Durchführung des erfindungsgemässen
Verfahrens eine verbesserte Sauerstoffübertragungsgeschwindigkeit erzielt. Die aufgenommene
Luftmenge geht aus der Tabelle 1 hervor. Ferner wird unter den gleichen Bedingungen
ein geringerer Energieverbrauch festgestellt, der um wenigstens 50 % geringer ist.
Die übertragene Sauerstoffmenge geht aus Tabelle II hervor.
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Die pro Volumeneinheit der Gärungslösung erforderliche Energie steigt
mit der Zunahme der Kapazität der Gärungseinrichtung. Erfindungsgemäss ist die Beziehung
zwischen der pro-Volumeneinheit der Gärungslösung erforderlichen Energie und der
Kapazität immer konstant, wie aus den Piguren 6A und 6B hervorgeht. Daher eignet
sich die Erfindung besonders -für eine Durchführung in grossem Maßstabe.
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Die Figur 6A ist eine graphische Darstellung, welche einen Vergleich
der pro Volumen erforderlichen Energie zeigt, wenn
bisher bekannte
Rührgefässe verwendet werden. Die Figur 6B ist eine graphische Darstellung, welche
die gleiche Beziehung für die erfindungsgemässe Vorrichtung zeigt. Diese graphische
Darstellung wurde entsprechend der Formel KLa = K(P/V)d formuliert, worin KL der
Sauerstoffübertragungskoeffizient in der flüssigen Phase ist, a die fläche darstellt,
K eine Konstante bedeutet, P die erforderliche Energie ist, V für die Kapazität
der Gärungseinrichtung steht und d den Maßstabsindex bedeutet.
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Die folgende Tabelle I zeigt im Vergleich die Sauerstoffübertragungsgeschwindigkeit
zwischen einem üblichen Verfahren unter Verwendung eines Rührgefässes und dem erfindungsgemässen
Ver" fahren unter Verwendung einer Gärungseinrichtung auf der Grundlage eines Drucklufthebers,
wobei jeweils unter gleichen Bedingungen bezüglich Kapazität und Luftaufnahme gearbeitet
wird.
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Tabelle I Gärungseinrichtung Sauerstoffübertragungsgeschwindigkeit
Rührgefäss 110 g-Mol 02/L1 pro Std.
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Gärungseinrichtung mit 370 g-Mol 02/L1 pro Std.
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doppelt erzwungenem Umlauf *Die vorstehend angegebenen Werte sind
die in Wasser gelösten Sauerstoffmengen, ermittelt mittels eines Beckman-Oxygen
Analyzer (Modell 777).
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In der folgenden Tabelle II wird der Energieverbrauch zwischen einem
üblichen Verfahren unter Verwendung eines Rührgefässes und dem erfindungsgemässen
Verfahren unter Verwendung einer Gärungseinrichtung auf der Grundlage des Druckluftheberprinzips
gezeigt, wobei unter gleichen Bedingungen hinsichtlich Kapazität und Sauerstoffübertragungsgeschwindigkeit
gearbeitet wird.
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Tabelle II Gärungseinrichtung Energieverbrauch pro Volumeneinheit
Rührgefäss 2,0 - 6,0 Erfindungsgemäss 1,5 - 2,5 Die erfindungsgemässe Vorrichtung,
in'der ein doppelt erzwungener Umlaufgärungsprozess unter Anwendung des Druckluftheberprinzips
ausgeführt wird, ermöglicht die Durchführung eines bedeutsamen wirtschaftlichen
Verfahrens, bei dessen Durchführung übliche Kohlenwasserstoffe in Mengen von mehr
als 150 000 1 vergoren werden können. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemässe
Gärungsverfahren zur Durchführung in der Erdölgärungsindustrie zur Erzeugung von
Nährsubstanzen, anderen Substanzen mit hohem Wert, stark exothermen Materialien
sowie heterogenen Mischungen aus Wasser und Öl, d.h. zur Herstellung von Substanzen,
zu deren Herstellung kräftig gerührt werden muss