DE3413551A1 - Filter zum behandeln von einer oder mehreren fluessigkeiten und/oder gasstroemen sowie dessen verwendung zu biochemischen umsetzungen - Google Patents

Filter zum behandeln von einer oder mehreren fluessigkeiten und/oder gasstroemen sowie dessen verwendung zu biochemischen umsetzungen

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Description

A3KU219O1
Filter zum Behandeln von einer oder mehreren Flüssigkeiten und/oder Gasströmen sowie dessen Verwendung zu biochemischen Umsetzungen
A k ζ ο GmbH
Wuppertal
Die Erfindung betrifft ein Filter zum Behandeln von einer oder mehreren Flüssigkeiten und/oder Gasströmen, vorzugsweise von Flüssigkeitsströmen, welche aus mindestens zwei in Form einer Spirale gemeinsam aufgewickelten, in radialer Richtung abwechselnd groben und feinen Filtermaterial-Lagen, von denen das grobe Filtermaterial eine Durchlässigkeit für größere und das feine Filtermaterial eine Durchlässigkeit für kleinere Partikel besitzt, besteht.
Ein derartiges Filter kann mehr oder weniger aus der in Figur 2 der Japanischen Patentanmeldung 56 087 415 dargestellten Ausführungsform als bekannt angesehen werden.
jh
A3KU219O1
Das bekannte Filter dient zum Reinigen von Wasser eines Aquariums, wobei die Anschlüsse zum Zuführen und Abführen des zu behandelnden bzw. des behandelten Wassers an den gegenüberliegenden Kopfenden des nahezu zylindrischen Spiralfilterpaktes angeordnet sind. Das bekannter Filter ist derart aufgebaut, daß die grobe Filterlage zum Abfiltern von groben Partikeln und die feine Filterlage zum Abfiltern der feinen Partikel dient. Ein Nachteil dieses bekannten Filters ist, daß der größte Teil der zu behandelnden Flüssigkeit lediglich in der Fläche der groben Filterlage strömt, weil die Neigung des Wassers gering ist, durch die feine Filterlage zu strömen. Diese Neigung wird mit anwachsender Verschmutzung während des Betreibens des Filters immer kleiner. Insofern werden die kleineren Partikelchen nicht aus der Flüssigkeit abgefiltert. Das bekannte Filter arbeitet also nicht besonders zufriedenstellend.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Filter der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei welchem die oben genannten Nachteile beseitigt sind. Das erfindungsgemäße Filter soll derart aufgebaut sein, daß ein großer Anteil der Wasserhauptstromes in diesem Filter in radialer Richtung auch durch die feinen Filterlagen hindurchgeht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein gattungsgemäßes Filter dadurch gelöst,
- daß die Filterlagen überwiegend aus Vliesen aus synthetischen Fäden und/oder Fasern bestehen/
- daß jede grobe Filterlage eine Dicke von 5 bis 50 mm,
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jede feine Filterlage eine Dicke von 1 bis 20 mm aufweist, - daß der weiter unten definierte Strömungswiderstand
R-, der groben Filter lagen bzw. R2 der feinen Filter lagen im reinen, unverschmutzten Zustand im Bereich von 0 < R1 < 25 kPa' sec bzw. 0 ^ R9OOOO kPa· see liegt, m2 m2 ■
- daß der weiter unten definierte Grad der Offenheit O,
der groben Filterlagen bzw. 0„ der feinen Filterlagen i reinen, unverschmutzten Zustand bei 0,95< O, < 1 bzw. 0,8< O2 < 1 liegt,
- daß im reinen, unverschmutzten Zustand des Filters die Durchlässigkeit der groben und feinen Filterlagen, gemessen für nahezu kugelförmige Teilchen des Durchmesser D, für die groben bzw. D„ für die feinen Filterlagen, derart ist, daß D, ■ < 10 mm und D„ < 1 mm ist, und
- daß das Filter derart aufgebaut ist, daß mindestens einer der zu behandelnden Massenströme in das Spiralfilterpaket von der äußersten Manteloberfläche her zugeführt und im Kern des Spiralfilterpakets abgeführt wird oder umgekehrt.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters zeichnet sich dadurch aus, daß pro Windung des Spiralfilterpakets das Verhältnis der Strömungswiderstände R, zu R~ und der Lagendicken der groben zu den feinen Filterlagen derart ist, daß der Anteil vom gesamten Massenstrom, welcher in radialer Richtung durch eine Windung im reinen, unverschmutzten Zustand fließt, größer als 50%, vorzugsweise größer als 90% ist. Der genannte Anteil vom gesamten Massenstrom pro Windung kann durch folgende Formel annähernd berechnet werden:
■ο η ι
A3KU219O1
a. = ~ j ^ χ 100%, wobei
3 ι 2'S2'S1
Χ R(2^)2
R, und Rp definierte Strömungswiderstände, S, und S- die Lagendicken der groben bzw. feinen Filterlagen in m, und
r der Radius der Windung in m ist.
Günstige Ergebnisse können erreicht werden durch ein Filter, welches erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die grobe Filterlage überwiegend von einem Flächengebilde aus synthetischen, beispielsweise aus Polyamid oder Polyester bestehenden, schmelzgesponnenen Fasern, welche hauptsächlich in stark gekrümmtem Zustand vorliegen, in ihren Kreuzungspunkten miteinander verbunden sind und einen Durchmesser von 0,2 bis 1,5 mm aufweisen, gebildet wird. Derartige Flächengebilde und ein Verfahren zur Herstellung dieser Flächengegebilde ist in der DE-PS 25 30 499 beschrieben und im Handel unter der Bezeichnung ENKAMAT ^ erhältlich. Die feine Filterlage wird erfindungsgemäß überwiegend von einem Faservlies gebildet, bei dem die, beispielsweise aus Polyäthylenterephthalat bestehenden, bevorzugt gekräuselten Fasern einen Titer von 1 bis 50 decitex besitzen, derart willkürlich zueinander angeordnet sind, daß die Dichte 0,01
2
bis 0,25 g/cm beträgt, und diese Fasern mit Hilfe eines Bindemittels, beispielsweise auf Basis Polyacrylat, miteinander verbunden sind. Eine zweckmäßige erfindungsgemäße Ausführungsform des Filters ist dadurch gekennzeichnet, daß das Spiralfilterpaket 3 bis 100 Windungen enthält, und die Länge des Spiralfilterpakets parallel zur Windungsachse der
- 6 - A3KU219O1
Spiralform 5 bis 500 cm beträgt.
Wenn das feine erfindungsgemäße Filtermaterial Mikroorganismen enthält, kann es zur Realisation von verschiedenen Prozessen eingesetzt werden. Eine besonders günstige Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Filters ist dadurch gekennzeichnet, daß es eine Menge einer mit dem zu behandelnden Massenstroms in Kontakt kommenden organischen Substanz/ beispielsweise auf Basis von Methanol oder Calciumstearat, welche Substanz unter Einfluß von als Katalysator wirkenden Mikroorganismen in der Lage ist, in den zu behandelnden Massenströmen vorhandene Nitrate zu denitrieren, enthält. Eine einfache Ausführungsform hiervon ist erfindungsgemäß dadurch ausgezeichnet, daß das Filter Methanol enthält, welches in einen Behälter mit einer flüssigkeitsdurchlässigen, beispielsweise aus Nylon bestehenden Wand eingebracht ist. Das Methanol wird auf diese Weise über die flüssigkeitsdurchlässige Wand allmählich freigelassen und reagiert mit dem in dem zu behandelnden Fluid anwesenden Nitrat derart, daß Stickstoffgas und CO2 gebildet werden. Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters ist dadurch gekennzeichnet, daß in ihm Calciumstearat enthaltende Granulate verteilt sind. Dadurch, daß das Calciumstearat nur schwer löslich ist, wird es auch nur allmählich freigesetzt und reagiert dann mit dem anwesenden Nitrat, so daß Stickstoffgas und CO2 gebildet werden.
Das erfindungsgemäße Filter ist besonders geeignet zum Reinigen von Wasser aus Aquarien, speziell aus Seewasseraquarien, aus Fischweihern oder anderen, Fische, Schildkröten oder andere Wassertiere enthaltenden Behältnissen.
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Das erfindungsgemäße Filter kann auch vorteilhaft zum Entfernen von Staubpartikeln aus Gasen eingesetzt werden.
Vor allen Dingen kann das erfindungsgemäße Filter mit Vorteil verwendet werden zum Ausführen von biochemischen Umsetzungen, beispielsweise das Umsetzen von Ammonium zu Nitrat, das Umsetzen von Zucker zu Methan oder von Zucker zu Alkohol, und bei ähnlichen Prozessen. Auch kann das erfindungsgemäße Filter dazu eingesetzt werden, daß auf biologischem Wege unerwünschte, beispielsweise stark Gestank verbreitende Substanzen aus einem Gasstrom entfernt werden. Sowohl bei den beiden letztgenannten Prozessen als auch bei der beschriebenen Dinitrierung wirken die Mikroorganismen als Katalysator.
Das erfindungsgemäße Filter besteht aus einer optimalen Kombination und Anordnung von zwei verschiedenen Filtermaterialien mit speziellen Strömungswiderständen. Das grobe Filtermaterial hat nunmehr keine oder nahezu keine filtrierende Funktion. Die Filtration von groben und feinen Partikeln wird hauptsächlich im feinen Filtermaterial derart erreicht, daß die Filtration von kleinen Partikeln in der nach einiger Betriebszeit mäßig verschmutzten Lage mit Mikroorganismen.stattfindet, während die größeren Partikel an einem anderen Platz im Filterpaket in den noch relativ reinen Gebieten des feinen Filtermaterials gebunden werden.
Wichtige Vorteile des erfindungsgemäßen Filters sind:
- /J - A3KU219O1
. lange Standzeit als Folge einer großen Schmutzaufnahme-
kapazität bei geringem Druckabfall, . gute Kombination einer biologischen mit einer mechanischen
Filtration für grobe und feine Partikel, . kein Auftreten von sogenannten "KurzSchlußströmen" und
toten Ecken,
. intensive Wechselwirkung zwischen Flüssigkeit, Gas und
festem Stoff,
. sehr variabel in der Dimensionierung und optimierbar für
ein weites Anwendungsgebiet,
. das Filter kann auf einfache Weise mit bewegungsunfähigen Mikroorganismen oder anderen Partikeln und Substanzen,
welche spezielle Funktionen aufweisen, beladen werden, . die erfindungsgemäße spiralenförmige Filterpatrone kann leicht aus dem Filtergehäuse herausgenommen werden und läßt sich leicht reinigen.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein in ein Gehäuse eingebautes erfindungsgemäßes Filter,
Figur 2 das Filter gemäß Figur 1 in einem Querschnitt quer zum Einlauf,
Figur 3 eine Vorrichtung zur Bestimmung des Strömungswiderstandes des groben Filtermaterials,
Figur 4 eine Vorrichtung zur Bestimmung des Strömungswiderstandes des feinen Filtermaterials.
ι οoo ι
A3KU219O1
In Figur 1 wird das Gehäuse von einer soliden, aus Kunststoff bestehenden zylindrischen Hülse 1 gebildet, welche an ihrem äußeren Umfang einen Einlaufschlitz 2 für die zu behandelnde Flüssigkeit aufweist. An den beiden Kopfenden der Hülse 1 sind Deckel 3 und 4 vorgesehen. Durch den Deckel 4 hindurch erstreckt sich eine Auslaßröhre 5. Die Auslaßröhre 5 steckt in nicht dargestellter Weise mit dem anderen Ende im Deckel Die Auslaßröhre 5 weist auf dem Teil, welcher sich innerhalb der Hülse 1 befindet, über die gesamte Länge eine große Anzahl von Einlaßöffnungen 6 auf. Innerhalb der Hülse 1 befindet sich das Spiralfilterpaket, welches in dieser Ausführungsform hauptsächlich aus einer groben, schematisch mit sinusförmigen Linien angegebenen Filterlage 7 und einer feinen Filterlage 8 besteht, die hier mit einer dicken schwarzen Linie angegeben ist. Die grobe und die feine Filterlage sind zusammen spiralenförmig aufgewickelt. Zur Vereinfachung sind in der dargestellten Ausführungsform lediglich sieben Windungen dargestellt. In Wirklichkeit kann die Zahl der Windungen zwischen 5 und 100 liegen. In der vorhergehenden Beschreibung und in den Ansprüchen werden verschiedene Ausdrücke benutzt, die im folgenden näher definiert werden sollen.
Der Strömungswiderstand R der groben Filterlage im reinen, unverschmutzten Zustand wird für Wasser unter Zuhilfenahme einer Vorrichtung gemessen, welche schematisch in Figur 3 dargestellt ist. In dem zylindrischen Gefäß 9 ist zentral eine transparente, mit einer vertikalen Meßeinteilung versehene Röhre 10 eingesetzt, um welche ein Stück des groben Filtermaterials 11 zusammen mit einer flüssigkeitsdichten
•Λ3-
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Kunststoffolie in 10 Windungen gewickelt ist. Zur Vereinfachung sind in Figur 3 lediglich 5 Windungen dargestellt. Der Anfang der auf diese Weise hergestellten doppelten Spiralwicklung ist mit der Röhre 10 verbunden, wobei die Röhre 10 an der Verbindungsstelle eine axiale Nut 13 aufweist. Die Röhre 10 ist zusammen mit der doppelten Spiralwicklung auf dem Boden des Gefäßes 9 in eine Schicht Sand 14 eingesetzt, welche als Abdichtung für das untere Ende der Röhre 10 und der doppelten Spiralwicklung dient. Wird nun eine konstante Menge reinen Wassers pro Zeiteinheit der zentralen Röhre 10 in Richtung des Pfeiles 15 zugeführt, strömt das Wasser über die Nut 13 in Form einer Spirale durch das grobe Filtermaterial 11. Das Gefäß 9 ist mit einer Auslaßöffnung 16 in einer Höhe A über der Sandoberfläche ausgestattet, so daß das Wasser das Gefäß 9 durch diese öffnung 16 (Pfeil 17) verläßt. Das Flüssigkeitsniveau 27 in dem Gefäß 9 außerhalb der aufgewickelten Spirale ist durch den Ort der genügend groß dimensionierten Auslaßöffnung 16 festgelegt. Infolge des auf das das grobe Filtermaterial spiralförmig durchströmende Wasser wirkenden Widerstandes steigt das Flüssigkeitsniveau 18 in den einzelnen Windungen der Spirale sukzessive von außen nach innen an. Die Höhendifferenz B zwischen dem Zulaufniveau 26 in der Röhre 10 und dem Flüssigkeitsniveau 27 in Gefäß 9 außerhalb der Spirale ist ein Maß für den Druckverlust des durch das spiralig aufgewickelte grobe Filtermaterial 11 fließenden Wassers. Der Druckverlust B kann in Zentimeter Wassersäule gemessen werden und durch Umrechnung in kPa ausgedrückt werden. Der Wert des Strömungswiderstandes R-, ist definiert durch die Formel
Rl = VxL- '
• : - : : O <4 I O Ό D I
4k-
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worin B die in Figur 3 angegebene Höhendifferenz in kPa, L die gesamte Länge des groben Filtermaterials, gemessen in Richtung der Spirale, in m, und V die Geschwindigkeit des Wassers in m/sec ist, mit welcher das Wasser spiralförmig durch das spiralförmig aufgewickelte grobe Filtermaterial 11 strömt. Die Geschwindigkeit V kann berechnet werden mit Hilfe der Formel
V = Q '
S1 X (A + B)
X 2
wobei Q der in Richtung des Pfeiles 15 zugeführte konstante Wasserstrom in m3/see,und S, die Dicke -der groben Filtermateriallage 11, gemessen in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche dieses Filtermaterials, in m ist (siehe auch Figur 3). Erfindungsgemäß ist nun gefunden worden, daß der auf diese Weise bestimmte Strömungswiderstand R-, dieses groben Filtermaterials im Bereich von
0<R1<25 liegt.
Der Strömungswiderstand R2 für Wasser der feinen Filterlage im reinen, unverschmutzten Zustand wird mit einer Vorrichtung gemessen, welche in Figur 4 schematisch dargestellt ist. Hierbei ist in einem Gefäß 19 eine aus zwei Teilen 20 und 21 bestehende Röhre angeordnet. Zwischen die Flansche der beiden Röhrenteile 20 und 21 ist ein Stück des feinen Filtermaterials 22 eingespannt. Oberhalb dieses Filtermaterials 22 wird in Richtung des Pfeiles 25 eine konstante Menge reinen Wassers pro Zeiteinheit zugeführt. Die zugeführte Wassermenge pro Zeiteinheit wird mit Q bezeichnet und m /see angegeben. Nachdem das Wasser das Filtermaterial
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22 durchlaufen hat, erreicht es über die Röhre 21 das Gafäß 19, in welcher eine Abflußöffnung 23 vorgesehen ist. In Richtung des Pfeiles 24 läuft dann das Wasser aus dem Gefäß 19. Die Höhe E der Wassersäule (siehe Figur 4) ist abhängig von dem Widerstand des Filtermaterials 22. Die Größe des Strömungswiderstandes R„ des feinen Filtermaterials ist nun definiert durch die Formel
τ? = E kPa- see ,
K2 V χ sn 2 2 m
wobei E der in Figur 4 angegebenen Niveauunterschied, gemessen in cm Wassersäule und umgerechnet in kPa, V die Wassergeschwindigkeit in m/sec, mit welcher das Wasser durch das feine Filtermaterial 22 strömt, und S2 die Dicke des Filtermaterials 22 in Meter ist. Die Wassergeschwindigkeit V-wird berechnet mit Hilfe der Formel
worin Q die beschriebene Wasserzuführmenge in m /see, und F der Durchmesser des eingespannten Filtermaterials ist. Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, daß der auf diese Weise bestimmte Strömungswiderstand R3 dieses feinen Filtermaterials im Bereich von
O < R. < 3000 -kPa· SeC
r\
liegt.
Der Grad der Offenheit O1 bzw. O3 des groben bzw. des feinen Filtermaterials kann durch die Formel
V
0 = —-— (dimensionslos) bestimmt werden, wobei Vfc das
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gesamte Umfangsvolumen des entsprechenden Filtermaterials, das heißt Länge χ Breite χ Dicke, und Vq das darin enthaltene Offenvolumen ist, welches dem gesamten Umfangsvolumen (Vfc) des betreffenden Filtermaterials vermindert um das Volumen der Fasern des betreffenden Filtermaterials entspricht. Das Volumen V. der Filtermateriallagen wird also dadurch bestimmt, daß die äußeren Dimensionen der entsprechenden Teile des Filtermaterials gemessen werden. Das Volumen der Fäden wird dadurch bestimmt, daß dasselbe Stück des entsprechenden Filtermaterials in Wasser in einem Meßbecher oder einem Meßglas derart eingetaucht wird, daß keine Luft eingeschlossen ist, und der Wasserstand vor und nach dem Eintauchen des Filtermaterials abgelesen wird.
Zur weiteren Erläuterung werden nachfolgend einige Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Filters beschrieben.
Zur Reinigung des Wassers eines Aquariums mit 400 dm Inhalt, welches mit 15 ausgewachsenen Sumpfschildkröten bevölkert ist, wird ein erfindungsgemäßes Filter mit einer Länge von 40 cm und einem Durchmesser von 15 cm in eine zylindrische PVC-Röhre mit denselben Abmessungen eingesetzt. Die PVC-Röhre ist mit einem 30 cm langen und etwa 3 cm breiten Schlitz versehen. Die PVC-Röhre war an dem einen Kopfende mit einem dichten Deckel abgeschlossen, und am anderen Kopfende mit einem Deckel versehen, durch welchen eine Ablaufröhre mit 3 cm Innendurchmesser eingeführt war. Diese Ablaufröhre erstreckte sich in das hohle Zentrum des Filterpakets über eine Strecke von etwa 5 cm.
41*
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Im Filterpaket bestand die grobe Filtermateriallage aus ENKAMATHnit einer Dicke von 0,7 cm und die feine Filtermateriallage aus einem Polyester-Faservlies mit einer Dicke von 0,3 cm. Die beiden Filtermateriallagen waren spiralförmig miteinander zusammengewickelt, und zwar derart, daß im Zentrum ein Hohlraum von 3 cm Durchmesser gebildet wurde, um welchen 7 Windungen jeder Lage gewunden waren. Die innerste Windung bestand aus dem Faservlies und die äußerste Windung aus ENKAMAT^Das Filter wurde nach unten in das Aquarium gelegt und an eine Pumpe mit 600 dm /h Durchsatz angeschlossen, wobei das Wasser über eine Sprühdüse und gegebenenfalls über ein biologisches Filter zurückgeführt wurde. Nach ein bis zwei Tagen war das stark verschmutzte Aquarium vollständig klar. Bei dem mit Sumpfschildkröten .dicht bevölkerten Aquarium hatte das Filter eine Standzeit von zwei bis drei Monaten. Zur Reinigung wird das Filterpaket einfach aus dem Gehäuse geschoben und aufgerollt. Mit einem harten Wasserstrahl auf das Filtermedium wird der Schmutz abgespült. Danach werden die Lagen wieder aufgerollt und in das Gehäuse geschoben, so daß das Filter wieder gebrauchsfähig ist. Der gesamte Strömungswiderstand dieses Filterpakets bewegte sich bei dem genannten Durchsatz von 5 cm Wassersäule im reinen Zustand bis·zu 30 cm Wassersäule im Verschmutzungszustand, wobei im Verschmutzungszustand insgesamt 150 g Schmutz, bezogen auf Trockensubstanz, ermittelt wurde. Hierbei war die Schmutzverteilung im Filter derart, daß in den äußersten Windungen
300 g/m Filterlage und in den innersten Lagen lediglich ■ etwa 50 g/m2, jeweils bezogen auf Trockensubstanz, enthalten waren.
J "T I ν/
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Eine abgewandelte Ausführungsform des oben beschriebenen Filters wurde zur Reinigung von einem Aquarium oder Weiher von 5 bis 10 m Inhalt eingesetzt.
Hierzu wurden zwei vergleichbare Filter hergestellt, welche jeweils ein Meter Länge und 15 cm Durchmesser aufwiesen. Der gesamte Durchsatz durch die Pumpe über beide Filter betrug ca. 3 000 dm3/h. Gegebenenfalls kann das Wasser über eine Fontäne zurückgeführt werden. Das große Aquarium war bevölkert mit etwa 10 ausgewachsenen Karpfen und anderen großen Fischen. Nach drei Tagen hatte die Sichttiefe von 10 auf 300 cm zugenommen. Die Fontänendüse wurde gegen Verstopfung geschützt. Die Reinigung des Filters war nach zwei Monaten notwendig.
Im Weiher, welcher in der freien Natur lag und stark mit Algen bewachsen war, wurde mit ca. 1000 dm3/h zirkuliert. Nach einer Woche hatte die Sichttiefe von 15 cm bis zur Sicht auf den Boden (75 cm) zugenommen. Die Reinigung war in den Sommermonaten einmal pro Monat erforderlich, in der übrigen Zeit einmal pro drei Monate.
In einer anderen Ausführungsform wurde ein Filter an ein Aquarium mit 200 dm3 Inhalt und ca. 60 kleinen tropischen Fischen angeschlossen. Dieses Filter war 2o cm lang und hatte einen Durchmesser von 18 cm. Das Wasser wurde über dieses Filter zirkuliert mit einem Durchsatz von ca. 150
dm /h. Die Standzeit dieses Filters betrug mehr als ein Jahr, bevor eine Reinigung notwendig wurde.
- 3
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Für ein tropisches Seewasseraquarium wurde eine Kombination von drei verschiedenen Filtereinheiten eingesetzt. Das Aquarium war mit einer Gemeinschaft von Korallen, Korallenfischen, Seeanemonen und verschiedenen krebsartigen Tieren bevölkert. Eine derartige Gemeinschaft ist sehr empfindlich gegenüber Verschmutzungen. Beim Einsatz einer biologischen Filtration kann sich mit der Zeit Nitrat bilden, welches für die feinfühligen Tiersorten schädlich ist. Auch ist eine intensive Belüftung erforderlich, um für eine ausreichende SauerstoffVersorgung des Wassers zu sorgen. Außerdem muß dafür, gesorgt werden, daß ein relativ hoher Zirkulationsfluß das Wasser in Bewegung hält. Das Filter besteht aus drei Einheiten, wovon eine für die mechanische Filtration (A), eine andere für die biologische Denitrierung (B) und eine weitere für die biologische Oxidation von Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen (Nitration) (C) vorgesehen ist. In einer der Ecken dieses Aquariums war eine schräge Abschottung mit einem überlaufrand vorgesehen. In der Mitte des abgeteilten dreieckigen Raumes war ein Überlaufloch von 4 cm Durchmesser. Die Höhe des Randes war 50 cm. An das Überlaufloch war eine Röhre dicht angeschlossen. Die Oberkante der Röhre war offen. Diese öffnung befand sich 1 cm unterhalb der Abflußecke. Die Röhre wies etwa 20 Löcher mit einem Durchmesser von 2cm über ihre Länge auf. Auf dieser Röhre waren zwei separate, erfindungsgemäße Spiralfilterpakete angeordnet. Jedes Paket enthielt sieben Windungen, wobei die äußerste grobe Filtermateriallage aus ENKAMAT^die drei Wände des abgetrennten Raumes berührte. Das untere und das obere Ende der Pakete waren durch runde PVC-Scheiben verschlossen, welche über die Abführröhre
COPY
ι ν/ w s' ι
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geschoben werden konnten. Das untere Paket war 10 cm hoch und das obere Paket 37 cm hoch. Im Anschluß an das untere Paket war eine Plastikröhre angeordnet. In dieser Röhre befand sich eine kleine Öffnung von ca. 0,5 cm Durchmesser, wodurch der Wasserabfluß durch das untere Filter auf etwa
15 dm /h begrenzt war, während durch das obere Paket ca. 400 dm3/h abgeführt werden konnten. Das obere Paket hatte die Funktion der mechanischen Filtration. Bei einer zu großen Verschmutzung konnte das Wasser direkt über die obere Öffnung der Abflußröhre strömen. In diesem Fall war es erforderlich, das mechanische Filter zu reinigen.
Das untere Filterpaket hatte die Funktion der biologischen Denitrierung. Um dies zu erreichen, wurde in einen Teil der groben Filterlage ein Plastiksack eingesetzt, in welchem sich 100 ml Methanol befand. Das Material des Plastiksackes war derart permeabel, daß diese 100 ml Methanol in ca. 3 Monaten aus dem Sack herausdifundierten. Die feine Filterlage war mit 1 g Bakterien beladen, die in Salzwasser in Anwesenheit von Methanol für die Umsetzung von Nitrat zu Stickstoffgasen sorgten. Die in Flocken gebundenen Bakterien werden in die Poren dieses feinen Filtermaterials durch Eintauchen des Filtermaterials in eine diese Flocken enthaltende Suspension und in Salzwasser eingebunden. Danach kann das Filterpaket montiert werden. Das Wasser aus den beiden Spiralfiltern wird unter dem Aquarium über eine Röhre zu einer rotierenden Sprühdüse gefördert. Der Düsenarm war mit Löchern versehen, und zwar in der Weise, daß er infolge des Wasserdruckes rotierte. Dieser Sprüharm war oberhalb eines dritten Doppellagenspiralfilterpaketes
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mit einer Höhe von 30 cm und einem Durchmesser von 30 cm montiert. Dieses Paket war in eine PVC-Röhre mit dem gleichen Durchmesser eingesetzt und am oberen Ende verschlossen. Am unteren Ende dieser PVC-Röhre war ein Verschluß mit einer Abflußröhre von 2,5 cm Durchmesser angeordnet. Auf dem Verschluß unterhalb des Pakets war eine Lage von grobem Filtermaterial eingesetzt. Die obere Seite des Paketes war mit einigen Lagen des Filtermaterials abgedeckt. Die Abflußröhre erstreckte sich etwa 10 cm nach unten und endete über einem Wasserreservoir mit 25 dm3 Inhalt, dessen Abmessung 20 χ 40 χ 40 cm betrug. In dieses Reservoir war eine Tauchpumpe gesetzt, die das Wasser über einen Schlauch mit einem Durchsatz von 420 dm3/h in das Aquarium zurückpumpte. Durch das freie Abtropfen des Wassers durch die Abflußröhre über 10 cm wurde Luft mitgezogen. Diese Luft wurde über das erfindungsgemäße Spiralfilterpaket, vorzugsweise über die grobe Filtermateriallage, und über Zuführöffnungen an den Außenmantel des Filterpaketes geleitet. Auf diese Weise wurde das Filter automatisch belüftet. Durch die Kombination von Sprüharm und Belüftung durch das Filterpaket wird das Wasser vollständig mit Sauerstoff gesättigt. In der Struktur der feinen Matrix (Polyesterfaservlies) siedelten sich spontan verschiedene Mikroorganismen zur Oxidation von organischen Stoffen, Ammonium und Sulfiden, an. Damit die Filterkombinationen sicher arbeiten, ist es erforderlich, daß zunächst das mechanische Filter und das biologische Filter mit dem Sprüharm installiert werden. Nach einigen Wochen kann dann unter das mechanische Filter das anaerobe denitrierende Filter angebracht werden. Sollten eventuell Sulfide, Nitride oder organische Stoffe aus dem
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aneroben Filter freikommen/ werden diese dann durch das belüftete biologische Filter zurückgehalten. Abhängig von der Ammoniumproduktion im Aquarium war die Standzeit des denitrierenden Filters zwei bis drei Monate. Danach muß in dieses Filter ein neues Säckchen mit Methanol eingebracht werden. Die beiden anderen Filtereinheiten hatten eine Standzeit von mehr als einem Jahr. Der Raum im Wasserreservoir kann teilweise mit kleinen Korallen oder Muschelstückchen befüllt werden, wodurch die Wasserhärte und der Säuregehalt des Wassers auf konstantem Niveau gehalten werden. Sollte die Pumpe ausfallen, läuft das Reservoir solange voll mit Wasser, bis das Wasserniveau im Aquarium unter den Uberlaufrand abgesackt ist. Der Einsatz von Methanol als organische Substanz hat den Vorteil, daß dabei keine Umsetzung von Sulfat zu Sulfid auftritt.
Das erfindungsgemäße Filter kann auch vorteilhaft bei einer Biogasvorrichtung eingesetzt werden. Beispielsweise wird hierfür ein erfindungsgemäßes Doppellagenspiralfilterpaket mit 15 Windungen, einem Durchmesser von 34 cm und einer Länge von 50 cm eingesetzt. Die feine Filtermateriallage, beispielsweise ein Faservlies, wird mit ca. 100 g Methan-Fermentations-Bakterien pro Quadratmeter durch eine Immobilisationsprozedur beladen. Das Filterpaket wird senkrecht einige Zentimeter tief in einen zylindrischen Wassertank eingetaucht. Vom unteren Ende des Filterpakethohlraumes wird über einen Überfluß Wasser abgeführt. Die Flüssigkeitszufuhr erfolgte über die Außenseite des Tanks. Mit einem umgekehrten zylindrischen Tank wird das Filterpaket von der Luft abgeschlossen, und das Biogas aufgefangen und über ein nasses Gasmeter abgeführt. Die
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Rückführung des Wassers kann über eine Pumpe bewerkstelligt werden.
Bei einer solchen Vorrichtung werden pro Tag 30 cm3 Abwasser mit einem Gehalt von etwa 20 g/dm3 Glykose, Acetylsäure oder einer anderen cfärfähigen organischen Verbindung zugefügt. Zum Wasser wird Natronlauge hinzugefügt, um die entstehenden Kohlendioxide und Mineralien für das Wachstum der Bakterien zu neutralisieren. Beim Durchlauf durch das Filter sanken die Werte des chemischen Sauerstoffverbrauches (CZV-Werte gemäß NEN 3235-5.3)
3 3 3
des Wassers von 21 g/dm auf 0,8 g/dm , wobei 200 dm Biogas pro Tag mit einem Gehalt von ca. 80% Methan produziert wurde. Der Ausfluß dieser Vorrichtung enthielt weniger als
110 mg/dm suspendierte Substanzen. Die Leistung einer solchen Vorrichtung betrug etwa 2 bis 5 m3 Biogas pro m3 Reaktorvolumen pro Tag.
Ein wichtiger Vorteil der speziellen Ausführungsform und Struktur des erfindungsgemäßen Spiralfilterpaketes besteht darin, daß die zu behandelnden Flüssigkeiten überall im Filter geteilt werden in radiale und tangentiale Ströme, abhängig vom Verschmutzungsgrad, wonach die beiden Ströme wieder zusammengeführt und aufs Neue geteilt werden usw. Dies wird dadurch verursacht, daß im reinen Filter der Widerstand gegenüber der radialen Strömung quer zu den Filterlagen wesentlich kleiner ist als der Widerstand gegenüber dem tangentialen Fluß. Der Widerstand des feinen Filtermaterials ist lediglich abhängig vom Verschmutzungsgrad nach einer gewissen Betriebszeit, während der Widerstand vom groben Filtermaterial nicht wesentlich von der Verschmutzung des Filters beeinflußt wird. Auf diese
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aneroben Filter freikommen, werden diese dann durch das belüftete biologische Filter zurückgehalten. Abhängig von der Ammoniumproduktion im Aquarium war die Standzeit des denitrierenden Filters zwei bis drei Monate. Danach muß in dieses Filter ein neues Säckchen mit Methanol eingebracht werden. Die beiden anderen Filtereinheiten hatten eine Standzeit von mehr als einem Jahr. Der Raum im Wasserreservoir kann teilweise mit kleinen Korallen oder Muschelstückchen befüllt werden, wodurch die Wasserhärte und der Säuregehalt des Wassers auf konstantem Niveau gehalten werden. Sollte die Pumpe ausfallen, läuft das Reservoir solange voll mit Wasser, bis das Wasserniveau im Aquarium unter den Überlaufrand abgesackt ist. Der Einsatz von Methanol als organische Substanz hat den Vorteil, daß dabei keine Umsetzung von Sulfat zu Sulfid auftritt.
Das erfindungsgemäße Filter kann auch vorteilhaft bei einer Biogasvorrichtung eingesetzt werden. Beispielsweise wird hierfür ein erfindungsgemäßes Doppellagenspiralfilterpaket mit 15 Windungen, einem Durchmesser von 34 cm und einer Länge von 50 cm eingesetzt. Die feine Filtermateriallage, beispielsweise ein Faservlies, wird mit ca. 100 g Methan-Fermentations-Bakterien pro Quadratmeter durch eine Immobilisationsprozedur beladen. Das Filterpaket wird senkrecht einige Zentimeter tief in einen zylindrischen Wassertank eingetaucht. Vom unteren Ende des Filterpakethohlraumes wird über einen Überfluß Wasser abgeführt. Die Flüssigkeitszufuhr erfolgte über die Außenseite des Tanks. Mit einem umgekehrten zylindrischen Tank wird das Filterpaket von der Luft abgeschlossen, und das Biogas aufgefangen und über ein nasses Gasmeter abgeführt. Die
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Rückführung des Wassers kann über eine Pumpe bewerkstelligt werden.
Bei einer solchen Vorrichtung werden pro Tag 30 cm3 Abwasser mit einem Gehalt von etwa 20 g/dm3 Glykose, Acetylsäure oder einer anderen g-ärfähigen organischen Verbindung zugefügt. Zum Wasser wird Natronlauge hinzugefügt, um die entstehenden Kohlendioxide und Mineralien für das Wachstum der Bakterien zu neutralisieren. Beim Durchlauf durch das Filter sanken die Werte des chemischen Sauerstoffverbrauches (CZV-Werte gemäß NEN 3235-5.3)
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des Wassers von 21 g/dm auf 0,8 g/dm , wobei 200 dm Biogas pro Tag mit einem Gehalt von ca. 80% Methan produziert wurde. Der Ausfluß dieser Vorrichtung enthielt weniger als
110 mg/dm suspendierte Substanzen. Die Leistung einer solchen Vorrichtung betrug etwa 2 bis 5 m3 Biogas pro m3 Reaktorvolumen pro Tag.
Ein wichtiger Vorteil der speziellen Ausführungsform und Struktur des erfindungsgemäßen Spiralfilterpaketes besteht darin, daß die zu behandelnden Flüssigkeiten überall im Filter geteilt werden in radiale und tangentiale Ströme, abhängig vom Verschmutzungsgrad, wonach die beiden Ströme wieder zusammengeführt und aufs Neue geteilt werden usw. Dies wird dadurch verursacht, daß im reinen Filter der Widerstand gegenüber der radialen Strömung quer zu den Filterlagen wesentlich kleiner ist als der Widerstand gegenüber dem tangentialen Fluß. Der Widerstand des feinen Filtermaterials ist lediglich abhängig vom Verschmutzungsgrad nach einer gewissen Betriebszeit, während der Widerstand vom groben Filtermaterial nicht wesentlich von der Verschmutzung des Filters beeinflußt wird. Auf diese
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Weise überwiegt automatisch in den reinen Windungen die radiale Strömung, während in den verschmutzten Windungen die tangentiale Strömung überwiegt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Filterpakets besteht darin, daß je nach Menge der zu behandelnden Flüssigkeit und der Beschaffenheit und der Menge des Schmutzes, welcher in dieser zu behandelnden Flüssigkeit enthalten ist, und je nach zulässigem Widerstand über das gesamte Filterpaket die Anzahl der Windungen und die axiale Länge des Filters auf einfache Weise optimiert werden kann.
In der Ausführungsform des erfindungsgemäßen Filters, welcher Mikroorganismen enthält, können Mikroorganismen künstlich oder spontan erzeugt werden, welche spezielle StoffWechselfunktionen besitzen, beispielsweise Erzeugung von Methan, Wasserstoff, Alkohol, Denitrierung, Nitrierung und Biodegradation.
Das erfindungsgemäße Filter unterscheidet sich von den bekannten Filtern speziell dadurch, daß der Träger aus einer in einer speziellen Anordnung vorliegenden Faserstruktur besteht, welche gewährleistet, daß die Flüssigkeit durch sie und durch einen großen Teil der Lage der in der Faserstruktur enthaltenen Biomasse hindurchfließt, anstatt an einer auf einem nicht permeablen Träger befindlichen Schleimmasse yorbeizufließen. Das Ergebnis ist ein sehr intensiver Kontakt während des Betriebes und außerdem eine effektivere mechanische Filtration.
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Ein weiterer wichtiger Vorteil des erfindungsgemäßen Filters besteht darin, daß bei Auftreten einer Verschmutzung in einem Teil des Filters die mechanische Filtration von sich aus von einem anderen Teil des Filters mit oder ohne Biomasse übernommen wird. Dabei wird die zu behandelnde Flüssigkeit zum Ende hin in stets geringerem Maße durch die verschmutzten Teile strömen, so daß kein großer Druckaufbau erfolgt. Die Strömung der zu behandelnden Flüssigkeit ist ausnahmslos derartig, daß die relativ stark verschmutzten Teile in ständigem Kontakt mit der Flüssigkeit bleiben und dabei die Funktion einer biologischen Filtration behalten erhalten bleibt.
Nach einer gewissen Anlaufphase des erfindungsgemäßen Filters soll in einigen Teilen des Filters die Flüssigkeit hauptsächlich längs einer Lage Biomasse strömen, in anderen Teilen soll das Medium durch eine weniger dichte Lage Biomasse und in wieder anderen Teilen durch eine relativ reine Struktur mit gröberen Poren hindurchströmen. Der Vorteil hiervon ist, daß die erfindungsgemäßen Filter eine relativ lange Standzeit aufweisen, bevor eine Reinigungsspülung erforderlich wird, wobei während der Standzeit der Druckanstieg über das gesamte Filter nur wenig zunimmt. Darüber hinaus ist zur gleichen Zeit eine sehr intensive biologische Funktion und eine starke mechanische Filtration für Partikel sehr unterschiedlicher Größe möglich. Die lange Standzeit des erfindungsgemäßen Filters ist günstig für die biologische Behandlung, weil dadurch eine günstige Lebenszeit der Biomasse gewährleistet ist.
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In dem erfindungsgemäßen Filter stellt sich von selbst die gewünschte Veränderung des Strömungsprofils in den Teilen starker Verschmutzung ein. Die Flüssigkeit wird in stets geringerem Maße durch die dichte Lage Biomasse hindurchströmen und in stets größerem Maße längs dieser Lage mit einer viel größeren Geschwindigkeit entlangströmen. Insofern wird das Absetzen von Schmutz in bereits verschmutzte Teile immer geringer werden, so daß diese Teile nicht vollständig verstopfen und über lange Zeit in Funktion bleiben.
Weitere wichtige Vorteile des erfindungsgemäßen Filters sind das geringe Gewicht und die steife selbsttragende Struktur des Filterpakets, so daß kein Einknicken des Filterträgermaterials auftritt, wie auch, soweit erforderlich, die einfache Regeneration des Materials bei auftretender starker Verschmutzung. Ein weiterer Vorteil dieses Filters ist, daß durch richtige Auswahl des Materials mit Hilfe einer einfachen Immobilisationsprozedur spezifische Mikroorganismen in den Träger eingebracht werden können.
Im Rahmen der Erfindung können verschiedene Ausführungsformen Anwendung finden.
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Claims (11)

A3KU219O1 Patentansprüche
1. Filter zum Behandeln von einer oder mehreren Flüssigkeiten und/oder Gasströmen, bestehend aus mindestens zwei in Form einer Spirale gemeinsam aufgewickelten, in radialer Richtung abwechselnd groben und feinen Filtermaterial-Lagen, von denen das grobe Filtermaterial eine Durchlässigkeit für größere und das feine Filtermaterial eine Durchlässigkeit für kleinere Partikel besitzt, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Filterlagen (7, 8) überwiegend aus Vliesen aus synthetischen Fäden und/oder Fasern bestehen,
- daß jede grobe Filterlage (7) eine Dicke von 5 bis
50 mm, jede feine Filterlage (8) eine Dicke von 1 bis 20 mm aufweist,
- daß der in der Beschreibung definierte Strömungswiderstand R, der groben Filterlagen .(7) bzw. R2 der feinen Filterlagen (8) im reinen, unverschmutzten Zustand im Bereich von 0 < R1< 25 kPa: sec bzw.
m2
0 < R9 < 3000 kPa> seC liegt,
m2
- daß der in der Beschreibung definierte Grad der Offenheit 0. der groben Filterlagen (7) bzw. 0» der feinen Filterlagen (8) im reinen, unverschmutzten Zustand bei 0,95 < O1 < 1 bzw. 0,8 < O3 < 1 liegt.
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- daß im reinen, unverschmutzten Zustand des Filters die Durchlässigkeit der groben und feinen Filterlagen, gemessen für nahezu kugelförmige Teilchen des Durchmesser D1 für die groben bzw. D_ für die feinen Filterlagen, derart ist, daß D, < 10 mm und D^ ·<£ 1 mm ist, und
- daß das Filter derart aufgebaut ist, daß mindestens einer der zu behandelnden Massenströme in das Spiralfilterpaket von der äußersten Manteloberfläche her zugeführt und im Kern des Spiralfilterpakets abgeführt wird oder umgekehrt.
2. Filter nach Anspruch 1, derart aufgebaut, daß pro Windung des Spiralfilterpakets das Verhältnis der Strömungswiderstände R, zu R„ und der Lagendicken der groben zu den feinen Filterlagen derart ist, daß der Anteil vom gesamten Massenstrom, welcher in radialer Richtung durch eine Windung im reinen, unverschmutzten Zustand fließt, größer als 50%, vorzugsweise größer als 90% ist.
3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die grobe Filterlage (7) überwiegend von einem Flächengebilde aus synthetischen, beispielsweise aus Polyamid oder Polyester bestehenden, schmelzgesponnenen Fasern, welche hauptsächlich in stark gekrümmtem Zustand vorliegen, in ihren Kreuzungspunkten miteinander verbunden sind und einen Durchmesser von 0,2 bis 1,5 mm aufweisen, gebildet wird.
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4. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet/ daß die feine Filterlage (8) überwiegend von einem Faservlies gebildet wird, bei dem die, beispielsweise aus Polyäthylenterephthalat bestehenden, bevorzugt gekräuselten Fasern einen Titer von 1 bis 50 decitex besitzen, derart willkürlich zueinander angeordnet sind,
2 daß die Dichte 0,01 bis 0,25 g/cm beträgt, und diese Fasern mit Hilfe eines Bindemittels, beispielsweise auf Basis Polyacrylat, miteinander verbunden sind.
5. Filter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiralfilterpaket 3 bis 100 Windungen enthält und die Länge des Spiralfilterpakets parallel zu der Windungsachse der Spiralform 5 bis 500 cm beträgt.
6. Filter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das feine Filtermaterial (8) Mikroorganismen enthält.
7. Filter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Menge einer mit dem zu behandelnden Massestroms in Kontakt kommenden organischen Substanz beispielsweise auf Basis von Methanol oder Calciumstearat, welche Substanz unter Einfluß von als Katalysator wirkenden Mikroorganismen in der Lage ist, in den zu behandelnden Masseströmen vorhandene Nitrate zu denitrieren, enthält.
OH I O JO I
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8. Filter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter Methanol enthält, welches in einen Behälter mit einer flüssigkeitsdurchlässigen, beispielsweise aus Nylon 6 bestehenden Wand eingebracht ist.
9. Filter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in ihm Calciumstearat enthaltende Granulate verteilt sind.
10. Aquarium, speziell Seewasser-Aquarium, Fischweiher oder andere Behältnisse zum Halten von Fischen, Schild-Kröten oder anderen Wassertieren, dadurch gekennzeichnet/ daß zur Reinigung des Wassers ein Filter gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 an das Aquarium, den Fischweiher oder das Behältnis angeschlossen ist.
11. Verwendung eines Filters gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 für biochemische Umsetzungen, wie beispielsweise Umsetzung von Ammonium zu Nitrat, Umsetzung von Zucker zu Methan, Umsetzung von organischen Substanzen zu CO- und anderen Substanzen, oder Umsetzen von Zucker zu Alkohol, und für ähnliche Prozesse.
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