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Vorrichtung zum Begasen von Flüssigkeiten Die Erfindung bezieht sich
auf eine Vorrichtung zum Begasen von Flüssigkeiten, insbesondere zum Belüften von
Nährböden bei der Züchtung von Mikroorganismen, wobei in der Horizontalen strahlenförmig
angeordnete, rinnenförmige, an ihrer Abströmseite offene Flügel mit einer mit Gaszuführung
versehenen, in Rotation versetzbaren, hohlen und Gasdurchlässe zu den Flügeln aufweisenden
Nabe verbunden sind.
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Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art erstrecken sich die Gasaustrittsöffnungen
mehr oder weniger über die gesamte Länge der Flügel. Dabei wirkt sich der Umstand
nachteilig aus, daß in verschiedenen Abständen von der Rotationsachse verschiedene
Umfangsgeschwindigkeiten und damit zufolge der unterschiedlichen Relativbewegung
zwischen dem Flügel und der zu begasenden Flüssigkeit auch verschiedene Druckverhältnisse
herrschen. Um an den achsnahen Stellen des Flügels eine hinreichend feine Gasverteilung
zu erzielen, müßten die Flügel mit sehr hoher Geschwindigkeit durch die Flüssigkeit
hindurchbewegt werden, wodurch sich aber an den achsfernen Flügelstellen eine nahezu
nicht mehr beherrschbare Umfangsgeschwindigkeit ergeben würde. Um über die ganze
Flügellänge auch nur annähernd
gleiche Verhältnisse zu schaffen,
ist eine entsprechende Ausgestaltung der Flügel erforderlich, zumal überdies in
den äußeren Bereichen pro Umdrehung ein größeres Flüssigkeits volumen zu begasen
ist als in den inneren Bereichen. Anderseits läßt sich die Bildung von sogenannten
Gasausbrüchen, das sind Gasmengen, die in der Flüssigkeit nur sehr grob verteilt
sind, in der Nähe der Rotationsachse nicht zuverlässig vermeiden. Aus diesem Grunde
wurden bereits die Flügel nur im achsferaen Teil rinnenförmig undeöffnet, im achsnäheren
Teil hingegen als Röhren mit geschlossenem Profil ausgebildet. Es hat sich aber
gezeigt, daß es sich auf diese Weise nicht vermeiden läßt, daß sich die beim Betrieb
der Vorrichtung ausbildenden Vakuolen über einen großen Teil der Flügellänge zur
Rotationsachse hin erstrecken, also auch über jene eile der Flügel, in denen sich
keine Gasaustrittsöffnungen mehr befinden. Es herrschen dann auch hier an der Vakuole
die bereits beschriebenen ungleichen Druckverhältnisse. Unter Vakuolen werden Gaseinschlüsse
in der zu begasenden Flüssigkeit verstanden, welche Einschlüsse sich in hinter den
durch die Flüssigkeit bewegten Flügeln entstehenden strömungstechnischen Unterdruckgebieten
durch Einbringen von Gas in diese Unterdruckgebiete bilden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß die beim Betrieb der Vorrichtung entstehenden
Vakuolen in Richtung zur Rotationsachse begrenzt sind, womit der Bereich der Umfangsgeschwindigkeiten
im Bereich der Vakuolen eingeengt und damit eine gleichmäßigere Gasverteilung erreichbar
ist. Anderseits soll aber der von den Vakuolen bestrichene Ringraum nicht zu schmal
werden, weil sonst die zu Feinverteilung der benötigten Gasmenge erforderliche Länge
der Vakuolen fehlt.
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Erfindungsgemäß sind die Flügel an einem im wesentlichen rotationssymmetrischen,
mit der Nabe in Verbindung stehenden bzw. mit dieser aus einem Stück gefertigten
Körper angesetzt,
dessen Durchmesser das 0,25 bis 0,8fache, vorzugsweise
etwa das O,5fache, des Durchmessers des von den äußeren Flügelenden beschriebenen
Kreises beträgt. Über einen solchen, gemeinsam mit den Flügeln rotierenden Körper
hinweg können sich die hinter den Flügeln entstehenden Vakuolen nicht in Richtung
zur Rotationsachse hin fortsetzen. Selbstverständlich kann der Körper von der idealen
Rotationssymmetrie in unwesentlichen Details, wie z.B. vorstehenden Schraubenköpfen
u.dgl., abweichen, ohne daß die erwünschte Wirkung merklich geschmalert würde. Beträgt
der Durchmesser des rotationssymmetrischen Körpers das 0,12fach des Durchmessers
des von den äußeren Flügelenden beschriebenen Kreises, so verhält sich die kleinste
im Gebiet der Vakuolen auftretende Umfangsgeschwindigkeit zur größten wie 1 : 4
. Es hat sich gezeigt, daß eine solche Einengung des Geschwindigkeitsbereiches die
Verschiedenheit der Strömungs- und Druckverhältnisse an den Vakuolen auf ein Maß
herabsetzt, bei welchem eine einigermaßen gleichmäßige Verteilung des Gases möglich
ist. Anderseits verbleibt bei einem Durchmesser des rotationssymmetrischen Körpers
vom 0,8fachen des Durchmessers des von den äußeren Flügelenden beschriebenen Kreises,
in welchem Fall sich die kleinste Umfangsgeschwindigkeit zur größten wie 1 : 1,25
verhält, eine für manche Begasungszwecke noch ausreichende Radialerstreckung der
Flügel bzw.
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Vakuolen.
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Die spezielle Form des rotationssymmetrischen Körpers ist als solche
nicht wesentlich, da er lediglich ein Fortsetzen der Vakuolen in Richtung zur Rotationsachse
hin verhindern soll. Es muß nur die Möglichkeit gegeben sein, das zu verteilende
Gas durch itnhindurch den Flügeln zuführen zu können.
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Aus baulichen und strömungstechnischen Gründen kann der rotationssymmetrische
Körper an seiner Ober- und seiner Unterseite von im wesentlichen ebenen oder kegelmantelartigen
Flächen begrenzt und seine bei den Ansatz stellen der Flügel gemessene Höhe gleich
oder etwas größer sein als die an den Ansatz stellen
parallel zur
Rotationsachse gemessene Dicke der Flügel. Normalerweise wird seine Höhe nicht mehr
als die doppelte Dicke der Flügel an ihren Ansatzstellen betragen.
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Vorteilhafterweise kann der rotatienssymmetrische Körper hohl ausgebildet
sein und in Richtung zur Rotationsachse hin bis zur Nabe reichen bzw. in diese übergehen.
Das zu verteilende Gas wird durch die Gaszuführungsleitung, die Nabe und den rotationssymmetrischen
Körper hindurch in die Flügel geleitet, durch deren offene Rückseiten es in die
Vakuolen austritt und sich dort in der Flüssigkeit verteilt.
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In einigen Fällen ist es vorteilhaft, einen Teil der zu begasenden
Flüssigkeit auch in Achsnähe durch die Begasungsvorrichtung hindurchtreten zu lassen,
u.zw. beispielsweise dann, wenn in einem mit der Begasungseinrichtung versehenen
Behälter, z.B. einem Fermenter, die unter der Begasungseinrichtung befindliche Flüssigkeit
mit einer größeren Durchsatzrate erneuert werden soll, als der normalen, durch den
rotationssymmetrischen Körper behinderten Durchmischung entspricht.
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Zu diesem Zweck kann dieser gegen sein Inneres abgeschlossene Durchgänge
aufweisen, deren Achsen zur Rotationsachse parallel oder windschief verlaufen. Es
kann aber auch der rotationssymmetrische Körper mit der Nabe mittels das Gas von
der Nabe zu den Flügeln leitender, röhrenförmiger Speichen verbunden sein. Es werden
dabei die Durchgänge durch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Speichen gebildet.
Die Anzahl der Speichen kann mit jener der Flügel übereinstimmen, wobei jedem Flügel
Gas über eine eigene Speiche zugeführt wird, oder es kann die Zahl der Speichen
von jener der Flügel verschieden sein, insbesondere können weniger Speichen als
Flügel vorliegen. In diesem Fall erfolgt die Gasverteilung zu den einzelnen Flügeln
über den rotationssymmetrischen Körper, welcher dann natürlich hohl ausgeführt sein
muß.
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Zur Verringerung des Strömungswiderstandes bzw. zur Vermeidung von
unerwünschten Vakuolenbildungen hinter den Speichen können diese stromlinienförmiges
Profil aufweisen. Vorteilhafterweise kann dabei das Speichenprofil in Richtung der
bei Betrieb der Vorrichtung zwischen den Speichen herrschenden, auf die Speichen
bezogenen jeweiligen Flüssigkeitsströmung eingestellt sein. Bei Betrieb der Begasungsvorrichtung
bildet sich im Behälter, z.B. im Fermenter, eine Umwälzströmung aus, die einerseits
durch Mammutpumpenwirkung und anderseits durch eine gewisse Zentrifugalförderung
der Begasungsflügel hervorgerufen wird. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Speichen
auf die zwischen ihnen hindurchströmende Flüssigkeit sowohl möglichst wenig Pump-,
als auch möglichst wenig Bremswirkung ausüben, weil dies zur Vereinigung von in
der Flüssigkeit enthaltenen Gasblasen und damit wieder zu unerwünschten, die Flüssigkeitsströmung
beeinträchtigenden Gasausbrüchen führen kann. Die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit
und damit der Verdrehwinkel der Speichen hängen von mehreren Faktoren ab, wie z.B.
Form des Behälters, Gashältigkeit der Flüssigkeit usw. Im allgemeinen werden günstigste
Ergebnisse erzielt, wenn das Speichenprofil gegenüber der Rotationsebene um einen
Winkel von etwa 10-30° verdreht ist. Vorteilhafterweise kann der Verdrehwinkel der
Speichen veränderbar sein. Dadurch kann die Richtung des Speichenprofiles den herrschenden
Flüssigkeitsströmungen im Behälter immer genau angepaßt werden, was eine sehr gute
Ausnützung des eingebrachten Gases mit sich bringt.
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Die Anzahl der Flügel, mit denen die erfindungsgemäße Vorrichtung
ausgestattet ist, beträgt in der Regel drei oder mehr. Dabei sollen vorzugsweise
die Anzahl der Flügel und die Anzahl der im Behälter gegebenenfalls peripher angeordneten
Brems- oder Wärmeaustauscheinbauten keinen anderen gemeinsamen Teiler als Eins haben,
wodurch sich Flüssigkeitsstöße zeitlich soweit als möglich verteilen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Begasungsvorrichtung. Fig. 2 zeigt einen zugehörigen Grundriß.
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Fig. 3 veranschaulicht einen Vertikalschnitt durch eine andere Ausführungsform,
die gleichen Grundriß aufweist wie jene gemäß Fig. 1. Fig. 4 stellt im Grundriß
eine dritte Ausführungsvariante dar. Fig. 5 gibt einen Vertikalschnitt durch eine
weitere Ausführungsform wieder, bei welcher der rotationssymmetrische Körper mit
der Nabe über Speichen in Verbindung steht. Fig. 6 ist ein der Fig. 5 zugeordneter
Grundriß. Fig. 7 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine Ausführung, bei welcher
der rotationssymmetrische Körper mit der Nabe durch Speichen verbunden ist, die
stromlinienförmiges Profil aufweisen. Fig. 8 ist ein der Fig. 7 zugeordneter Grundriß.
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In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 4 sind mit 1 die
rinnenförmigen, an ihrer Abströmseite offenen Flügel bezeichnet, die an einem im
wesentlichen rotationssymmetrischen Körper 2 angesetzt sind, der mit der Nabe 3
in Verbindung steht bzw. mit dieser aus einem Stückiefertigt ist. E ist der von
den Flügelenden 4 beschriebene Kreis.
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Die Nabe 3 und damit der rotationssymmetrische Körper 2 sind über
eine Antriebswelle 5 in Rotation versetzbar, wodurch dann die Flügel 1 durch die
Flüssigkeit bewegt werden. 6 ist die in die Nabe a mündende Gaszuführungsleitung.
Mit 7 sind die Gasdurchlässe zwischen den rotationssymmetrischen Körper 2 und den
Flügeln 1 bezeichnet. Der Pfeil P deutet die Richtung an, in welcher die Flügel
1 bewegt werden. Der Radius des Kreises E ist mit R1 , und der größte Radius des
rotationssymmetrischen Körpers mit R2 bezeichnet. Der rotationssymmetrische Körper
2 ist an seiner Ober- und seiner Unterseite entweder von ebenen Flächen 8 (Fig.
1) oder von kegelmantelartigen Flächen 9 (Fig. 3) begrenzt. Die Höhe H des rotationssymmetrischen
Körpers an den Ansatz stellen 10 der
Flügel 1 ist etwas größer als
die an den Ansatz stellen 10 parallel zur Rotationsachse A gemessene Dicke D der
Flügel 1.
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Der rotationssymmetrische Körper 2 ist hohl ausgebildet und reicht
von den Ansatz stellen 10 der Flügel 1 bis zur Nabe 3 bzw. geht in diese über. Mit
1 sind die Gasaustrittsöffnungen an den offenen Abströmenden der Flügel 1 bezeichnet.
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Gemäß Fig. 4 weist der rotationssymmetrische Körper 2 gegen sein
Inneres abgeschlossene Durchgänge 12 auf, deren Achsen zur Rotationsachse A windschief
verlaufen, u.zw.
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derart, daß die Achse jedes Durchganges 12 in einer Ebene liegt, die
auf dem von der Rotationsachse A ausgehenden, zur Mitte des Durchgangs 12 führenden
Radius normal steht.
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Bei allen bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen weist der rotationssymmetrische
Körper 2 einen Radius R2 auf, der etwas das 0,3fache des Radius R1 des von den äußeren
Flügelenden 4 beschriebenen Kreises K beträgt.
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Gemäß Fig. 5 und 6 sind die Flügel 20 an einem zur Rotationsachse
A konzentrischen, den rotationssymmetrischen Körper bildenden Ring 21 angesetzt,
der über röhrenförmige Speichen 22 mit der Nabe 23 in Verbindung steht. Jedem Flügel
20 ist dabei eine Speiche 22 zugeordnet, über welche das in die zu begasende Flüssigkeit
einzubringende Gas von der Nabe 23 direkt in jeden Flügel 20 einbringbar ist.
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Die an den offenen Rückseiten der Flügel 20 vorgesehenen Gasaustrittsöffnungen
sind mit 24 bezeichnet. Der Radius R2 des konzentrischen Ringes 21 beträgt etwa
das 0,6fache des Radius des durch die Flügel enden 25 beschriebenen Kreises E.
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Mit 26 sind die Gasdurchlässe zwischen der Nabe 23 und den röhrenförmigen
Speichen 22 bezeichnet. Die Höhe H des Ringes 21 ist etwas größer als die Dicke
D der Flügel 20 an ihren Ansatzstellen an dem Ring. 27 ist die Gaazuführungsleitung
und 28 die Antriebswelle, über welche die Begasungsvorrichtung in Rotation versetzbar
ist.
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Gemäß dem in den Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen
die Speichen 22' stromlinienförmiges Profil auf. Der rotationssymmetrische Körper
ist als hohler Ring 21' ausgebildet, an welchem die Flügel 20' angesetzt sind. Die
Zahl der Speichen stimmt mit jener der Flügel nicht überein, weshalb die Verteilung
des Gases zu den einzelnen Flügeln 20' und damit zu den Gasaustrittsöffnungen 24'
über den Ring 21' erfolgt. Das zu verteilende Gas wird dem Ring 211 über die Speichen
22' und die Nabe 23' von der Gaszuführungsleitung 27' zugeführt. Das Speichenprofil
ist in Richtung der bei Betrieb der Vorrichtung zwischen den Speichen 22' herrschenden,
auf die Speichen bezogenen jeweiligen Flüssigkeitsströmung eingestellt und weist
gegenüber der Rotationsebene einen Winkell (Fig. 7) von etwa 150 auf. Der Verdrehwinkel
d der Speichen 22' könnte dabei veränderbar sein. Der Radius R2 des Ringes 21' entspricht
etwa dem O,5fachen des Radius des durch die Flügelenden 25' beschriebenen Kreises
K . Mit 28' ist die Antriebswelle der Begasungsvorrichtung bezeichnet.
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Wird die erfindungsgemäße Begasungsvorrichtung in Rotation versetzt,
dann bilden sich hinter den Flügeln 1; 20; 20' in der die Flügel umgebenden zu begasenden
Flüssigkeit strömungstechnische Unterdruckgebiete. Wird diesen Unterdruckgebieten
nun durch die Flügel 1; 20; 20' hindurch Gas zugeführt, so bilden sich hinter diesen
Flügeln Gaseinschlüsse, die sogenannten Vakuolen. Die Vakuolen erstrecken sich von
den Flügel enden 4; 25; 25' bis zu dem ein weiteres Ausbreiten der Vakuolen in Richtung
zur Rotationsachse A verhindernden rotationssymmetrischen Körper 2; 21; 21' . Dadurch,
daß durch diesen Körper die Vakuolen in Richtung zur Rotationsachse hin begrenzt
sind, wird dem Auftreten von Gasausbrüchen, also nicht ausreichend verteiltem Gas,
wirksam vorgebeugt, da in dem Bereich, in welchem niedrige Relativgeschwindigkeiten
zwischen den Flügeln und der umgebenden Flüssigkeit herrschen, keine Vakuolen mehr
sind.
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Durch die Durchgänge 12 (Fig. 4) bzw. durch die Zwischenräume
zwischen
den Speichen 22 bzw. 22' (Fig. 5 und 6 bzw.
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7 und 8) wird verhindert, daß sich im Betrieb unterhalb der Begasungsvorrichtung
Flüssigkeitsteile befinden, die nicht genügend belüftet sind und sich nicht mit
der übrigen Flüssigkeit vermischen können. Insbesondere bei der Begasung von Nährböden
für Mikroorganismen ist es aber besonders wichtig, daß alle Flüssigkeit steile gleichmäßig
belüftet und miteinander vermischt werden, da es sonst zu einem Absetzen der Mikroorganismen
in diesen '2Totwassergebieten" kommt, wobei die Mikroorganismen dann zu wenig Sauerstoff
für gute Vermehrung zur Verfügung haben, was zu schlechter Qualität der gezüchteten
Mikroorganismen führt. Die Achse der Durchgänge 12 haben dabei eine solche Neigung,
daß es weder zu einem Pump- noch zu einem Bremseffekt kommen kann. Die Durchmischung
der einzelnen Flüssigkeit steile soll nämlich lediglich durch die durch die Begasung
bewirkte natürliche Zirkulation erfolgen. Dies ist deshalb wichtig, weil dadurch
eine maximale Verweilzeit der Gasblasen in der Flüssigkeit erreicht wird. Aus den
gleichen Gründen ist auch der Verdrehwinkel d der Speichen 22' so gewählt, daß das
Speichenprofil in Richtung der bei Betrieb der Begasungsvorrichtung zwischen den
Speichen herrschenden, auf dieselben bezogenen Flüssigkeitsströmung verläuft.