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Vorrichtung zur Belüftung von Flüssigkeiten Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Zerteilung von Gasen in Flüssigkeiten, die aus einem in einem
Behälter angeordneten Schleuderrad besteht.
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Diese Vorrichtung dient vorzugsweise zur Belüftung von Flüssigkeiten
zur Erzeugung biochemischer Umwandlungen, unter anderem Fermentation bzw. Gärung,
mikrobiologischer Oxydation oder anderer mikrobiologischer Prozesse, Hydrolyse,
zur Herstellung antibiotischer Stoffe, wie Penicillin, und zur Züchtung von Mikroorganismen.
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Es ist bekannt, daß beim Züchten gewisser Organismen für biochemische
Zwecke in einem flüssigen Kulturmedium die biochemische Aktivität erheblich beschleunigt
wird, wenn die Nährflüssigkeit belüftet wird. Üblicherweise werden Luft oder Sauerstoff
als Belüftungsmittel verwendet; in manchen Fällen sind inerte Gase, wie Kohlendioxyd,
von Nutzen. Die Belüftung unterstützt das Wachstum der Mikroorganismen und ihre
enzymatische Aktivität.
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Es ist ebenso bekannt, daß es erwünscht ist, zur Belüftung Gas oder
die Mischung von Gasen in Form sehr feiner Bläschen zuzuführen. Vorrichtungen dieser
Art sind in der ungarischen Patentschrift rro zoa und der österreichischen Patentschrift
42 217 beschrieben.
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Gemäß der Erfindung wird eine verbesserte mechanische Einrichtung
für die Belüftung des flüssigen Kulturmediums bzw. der Nährflüssigkeit
durch
feinverteilte Gasbläschen vorgeschlagen, wobei das Gas Luft, Sauerstoff, inerte
Gase, wie Kohlendioxyd, und Gas und Mischungen von Gasen jeder Art sein kann.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, daß das Schleuderrad
zwischen, zwei aufrecht stehenden, koaxial angebrachten und beiderseits offenen
Rohren zur Zuführung von Flüssigkeit und Gas angeordnet ist, wobei das Flüssigkeitszuführungsrohr
in der Nähe des Behälterbodens und das Gaszuführungsrohr oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
endet, und daß der dem Behälterboden zugekehrte Wellenteil des Schleuderrades eine
Förderschraube trägt, die im Flüssigkeitszuführungsrohr liegt und so ausgebildet
ist, daß sie die Flüssigkeit zum Schleuderrad aufwärts fördert, während die dem
Gaszuführungsrohr zugekehrte Deckwand des Schleuderrades mit durchgehenden Längsbohrungen
ausgestattet ist, durch die das Gas in das Schleuderrad eintritt.
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Mit Hilfe dieser Vorrichtung wird das Gas aus der Gasphase des Fermentierbehälters
abgezogen und unterhalb der Oberfläche der Flüssigkeit mit der Flüssigkeit vermischt.
Die Flüssigkeit in dem Fermentierbehälter wird derart zum Zirkulieren gebracht,
daß in der Flüssigkeit kleinste Bläschen während einer weit längeren Zeitdauer verbleiben,
als die größeren Bläschen.
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Der Gaseinlaß in dem Behälter ist als Gasdurchflußrohr ausgebildet,
dessen unteres Ende direkt mit dem Gaszuführungsrohr in Verbindung steht, derart,
daß durch dieses Gasdurchflußrohr durchfließendes Gas direkt in das Gaszuführungsrohr
gelangt. Im Behälter sind Prallplatten angeordnet, die in einer seitlichen Zone
zwischen den aufrechten Außenwänden und dem Flüssigkeitszuführungsrohr liegen, wobei
diese Prallplatten so konstruiert sind und wirken, daß sie die Rotation der Flüssigkeit
in dieser Zone im wesentlichen aufheben.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand an Ausführungsbeispielen
schematisch dargestellt. Fig. i zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen Fermentierungsbehälter,
der mit .der Einrichtung gemäß der Erfindung versehen ist; Fig. 2 ist eine Einzeldarstellung
im senkrechten Schnitt, teilweise in Ansicht, die das Schleuderrad und gewisse Hilfsvorrichtungen
zeigt; Fig.3 veranschaulicht einen Teilschnitt gemäß Linie 3-3 der Fig. 2 und zeigt
die Form der Förderradschaufeln und des ihre äußeren Enden verbindenden Ringes sowie
die Lage der Längsbohrungen in der Deckwand des Schleuderrades; Fig. .4 zeigt eine
andere Ausführungsform des Schleuderrades mit geraden Schaufeln; Fig. 5 ist ein
Horizontalschnitt gemäß Linie 5-5 der Fig. i des Behälters, der die Prallplatten
zeigt.
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Belüftung eines flüssigen
Mediums mittels Luft veranschaulicht. In den Behälter i, der mit dem Deckel 2 versehen
ist, wird durch .das Rohr 4 Luft eingesogen. Im Deckel :2 ist das Auslaßrohr 5 für
Luft angeordnet. Auf dem Deckel 2 ist ein Motor 3 angeordnet, dessen Welle luftdicht
und gasdicht durch den Deckel 2 geführt ist. Der Flüssigkeitsspiegel des aus Nährflüssigkeit
bzw. Kulturmedium bestehenden Inhalts 13 ist mit I_ bezeichnet. Das untere
Ende des Lufteinlaßrohres 4 steht in Verbindung mit dem oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
endenden Luftzuführungsrohr 9, das mittels Armen io an dem Deckel2 befestigt ist.
Wie die Fig.2 zeigt, besitzt das Luftzuführungsrohr 9 einen Flansch 9a. Die obere
Deckenwandung des Schleuderrades 7, die in dem Gaszuführungsrohr liegt, ist mit
einer Reihe von vertikal durchgehenden Bohrungen 16 versehen, durch die die Luft,
die sich in dem Zuführungsrohr 9 befindet, in das Schleuderrad eintritt. Die durch
die Bohrungen 16 durchfließenden Luftströme werden in diesen Bohrungen um die Achse
der Welle 6 in Rotation versetzt. Ein Flüssigkeitszuführungsrohr i i ist unterhalb
des Schleuderrades 7 mittels der Arme 12 an der Innenwand des Behälters i befestigt.
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Innerhalb des Flüssigkeitszuführungsrohres i i ist an dem dem Behälterboden
zugekehrten Wellenteil des Schleuderrades eine Förderschraube 8 angebracht, die
.die Flüssigkeit zum Schleuderrad aufwärts fördert.
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Im Innern des Behälters i sind senkrechte Prallplatten 18 vorgesehen.
Wie die Fig. 5 zeigt, sind diese Prallplatten 18 radial im Verhältnis zu der senkrechten
Drehachse der Welle 6 angeordnet. Die Flächen dieser Prallplatten 18 schneiden sich
in der Drehachse der Welle 6. Diese Prallplatten 18 sind als gegenüberliegende Paare
ausgebildet, wobei jedes Paar in der gleichen senkrechten Ebene liegt. Die vertikale
Ebene eines Paares steht senkrecht auf der vertikalen Ebene des anderen Paares.
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Die Unterteile dieser Prallplatten 18 sind an der Bodenwand des Behälters
i befestigt.
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In Fig. 3 hat jede Schleuderradschaufel eine zykloide Kurve. In Fig.
4 ist jede Schleuderradschaufel 17" eben.
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Das System arbeitet folgendermaßen: Die Welle 6 wird mit irgendeiner
gewünschten Geschwindigkeit in Umdrehung gesetzt, z. B. iooo bis 3000 U/min.
Die Schaufeln 17 bzw. 1711 des Schleuderrades sind vorzugsweise näher dem Flüssigkeitsspiegel
L der Flüssigkeitsmasse 13 als dem Niveau des Bodens angebracht. Zum Beispiel kann
der Abstand der eingetauchten Schleuderradschaufeln 17 bzw. 17a von dem Flüssigkeitsspiegel
L 25 °/o oder weniger der gesamten Höhe der Flüssigkeitsmasse 13 betragen. Beispielsweise
kann die Höhe der Flüssigkeitsmasse 13 etwa 6 m und der Abstand der Schleuderradschaufeln
17 bzw. 17a unter dem Flüssigkeitsspiegel L etwa 0,3 m .sein. Gemäß einem
anderen Beispiel kann bei der Herstellung von Penicillin mittels Penicillium notatum
die Höhe der Flüssigkeitsmasse 13 etwa 1,2 m betragen, so daß der Abstand der Schleuderradschaufeln
17 bzw. 17a unterhalb des Flüssigkeitsspiegels L etwa 0,3 m beträgt.
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In jedem Fall beziehen sich diese Angaben auf den Abstand zwischen
dem oberen Teil jeder Schleuderradschaufel 17 bzw. 17a und der Linie
I_;
die Höhe der Schleuderradschaufeln beträgt etwa 25 bis
5o mm, je nach der Größe des Fermentierbehälters i, der Umdrehungsgeschwindigkeit
der Welle 6 und des Durchmessers des Schleuderrades.
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Die Prallplatten 18 sollen eine Rotation der Flüssigkeit zwischen
Rohr i i und der Behälterwand i verhindern.
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Der schraubenförmige Rotor 8 drückt die Flüssigkeit der Masse 13 aufwärts
durch das Flüssigkeitsführungsrohr i i, da der Bodenteil dieses Rohres offen und
,im Abstand von dem Boden des Behälters i angebracht ist. Diese nach aufwärts gedrückte
Flüssigkeit wird bei und oberhalb des Flansches i ja durch die sich rasch drehenden
Schleuderradschaufeln 17 bzw. 17a nach der Seite gedrückt. Die Flüssigkeit wird
so in einer Mehrzahl definierter Ströme, wie sie durch die Linien i9 angedeutet
sind, zum Zirkulieren gebracht. Diese seitliche Bewegung der Flüssigkeit zwischen
den Flanschen 9a und 11a schafft einen Sog am unteren Ende des Rohres 9, so daß
Luft durch dieses Rohr 9, wie das durch die Pfeile in Fig. i angedeutet ist, nach
abwärts gezogen wird. Die Luft streicht senkrecht abwärts durch die Bohrungen 16
des Schleuderrades 7. Der Durchmesser jeder Bohrung 16 kann etwa 6 bis 12 mm sein.
Wie oben angegeben, wird den durch die Bohrungen 16 nach unten gehenden Luftströmen
auch eine Rotation um die Achse der Welle 6 erteilt. Die sich nach abwärts bewegende
Luft tritt also in die Zwischenräume zwischen den verschiedenen Schleuderradschaufeln
ein, wo die Luft energisch mit der nach oben und nach der Seite sich bewegenden
Flüssigkeit, die sich in diesen Räumen befindet, unter Erzeugen kleiner Luftbläschen
gemischt wird. Diese Luftbläschen werden seitwärts im gleichen Strom mit der sich
nach der Seite bewegenden Flüssigkeit gedrückt. Die größeren Bläschen werden in
der Richtung der Linien 20 gedrückt, so daß sie zu dem Luftraum A aufsteigen. Die
Luft in diesem Luftraum A wird also kontinuierlich am oberen Teil des Rohres 9 durch
dieses Rohr 9 nach unten gezogen. Die Bläschen mittlerer Größe werden mit der sich
abwärts bewegenden Flüssigkeitsmasse in dem Ringraum zwischen dem Rohr i i und der
inneren Wandung des Behälters i, wie das durch die Linien 15 dargestellt ist, abwärts
bewegt. Derartige Bläschen mittlerer Größe steigen dann im wesentlichen durch die
gesamte Höhe der Flüssigkeitsmasse 13 auf und gelangen in den Luftraum A. Die sehr
kleinen Bläschen folgen der Bewegung der Flüssigkeit nach abwärts unterhalt> des
unteren Endes des Rohres i i und dann durch dieses Rohr i i aufwärts, im gleichen
Strom wie die im Kreislauf geführte Flüssigkeit, wie das durch die Linien i9 dargestellt
ist.
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Der überwiegende Teil der auf diese Weise in die Flüssigkeitsmasse
13 eingedrückten Luft wird so in Form sehr feiner Bläschen gebracht, die abwärts
fast durch die gesamte Höhe der Flüssigkeitsmasse 13 wandern. Das Ende des Rohres
i i liegt so nahe wie möglich an dem Boden der Flüssigkeitsmasse 13 unter Belassun.g
eines hinreichenden Zwischenraumes für die Zuführung von Flüssigkeit in das Rohr
i i an seinem offenen unteren Ende.
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Auf diese Weise wird ein Verfahren geschaffen, durch das die großen
Luftbläschen die Flüssigkeitsmasse nach einer kurzen Zeit verlassen, während die
kleineren Luftbläschen durch die gesamte Höhe oder einen wesentlichen Teil der gesamten
Höhe der Flüssigkeitsmasse gedrückt werden.
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Zum Einführen einer gegebenen Menge Luft am Boden der Flüssigkeitssäule
13 ist mehr Energie erforderlich als zum Einführen. der Luft knapp unterhalb des
Spiegels der Flüssigkeitssäule. Infolgedessen sind Luftkompressor, Kühler und Luftleitungen
nicht erforderlich. Die in die Apparatur durch das Rohr q. eintretende Luft kann
gefiltert werden, wodurch eine Verunreinigung vermieden werden kann.
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Die Erfindung ist nicht auf ein System beschränkt, bei dem die gesamte
für einen gegebenen Fermentationsprozeß benötigte Luft durch die oben beschriebene
Einrichtung zugeführt wird. Bei manchen Systemen ist die Zufuhr großer Mengen frischer
Luft zum Ersatz des bei dem Fermentationsprozeß verbrauchten Sauerstoffs notwendig.
In anderen Fällen ist es notwendig, verhältnismäßig große Mengen frischer Luft einzuführen,
um die Konzentration von Kohlendioxyd und anderer inerter Gase zu vermindern. Infolgedessen
kann eine Hilfseinrichtung zur Einführung von Luft verwendet werden bei Belüftung
der Flüssigkeit gemäß dem Verfahren der Erfindung.
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Die Zahl der Prallplatten 18 kann gemäß der Größe des Fermentierungsbehälters
variiert werden. Die Flüssigkeit wird auf diese Weise in einer Mehrzahl definierter
Ströme zirkuliert, wobei einer dieser Ströme durch eine Linie i9 dargestellt ist.
Die definierten Ströme haben eine gemeinsame Achse, nämlich die Achse des Rohres
i i. Diese definierten Ströme gehen nach der Seite von dieser Achse ab. In dem gegebenen
Beispiel geschieht das Abgehen der definierten Ströme von der Achse an ihrem oberen
Ende. Die definierten Ströme führen seitlich zu dieser Achse an ihren anderen Enden
wieder zusammen. jeder definierte Strom liegt völlig innerhalb der Masse 13. Selbst
wenn die definierten Ströme bis zu der Innenwand des Behälters i reichen, sind die
Ströme immer noch völlig innerhalb der :Masse 13.
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Das Gas wird der zirkulierenden Flüssigkeit in einem Teil dieser definierten
Ströme zugeführt. In dem gegebenen Beispiel wird das Gas in die nach der Seite abgehenden
Teile dieser Ströme eingeführt. An Stelle der Zuführung von Gas zu der zirkulierenden
Flüssigkeit, völlig infolge der Wirkung des Sogs, kann Gas aus einer geeigneten
Quelle unter irgendeinem Druck zugeführt werden.
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Die kleinsten Gasbläschen folgen der Flüssigkeit während ihrer gesamten
Zirkulation. Die Bläschen mittlerer Größe verlassen die zirkulierende Flüssigkeit
nach Zurücklegen eines bestimmten Teiles des Weges. Die größten Bläschen verlassen
die zirkulierende Flüssigkeit im wesentlichen an den seitwärts führenden Wegteilen
der Ströme.
Die Verwendung des Luftraumes A und einer Reihe
anderer Merkmale, die oben beschrieben sind, ist beliebig.
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Die Geschwindigkeit, mit der die Flüssigkeit zirkuliert, reicht hin,
wenigstens einen Teil des Gases mit der Flüssigkeit im Kreislauf zu führen.
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Durch geeignete Formgebung des Behälters i kann die Flüssigkeit in
ihm durch die Masse in einem einzigen definierten Strom geführt werden; die Erfindung
ist also nicht auf die Verwendung einer Mehrzahl definierter Kreislaufströme beschränkt.
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Bemerkt sei, daß wenigstens ein Teil des Gases in dem Strom 15 oder
Strom i9 durch die zirkulierende Flüssigkeit mitgeführt wird, so daß sich wenigstens
ein Teil des zugeführten Gases mit der Flüssigkeit bewegt, unter Änderung der Richtung
an dem Wegteil des Stromes, an dem das Gas zugeführt wird. Andererseits bewegen
sich die in Strömen 20 geführten Bläschen lediglich seitwärts fort von dem Wegteil
des Stromes der zirkulierenden Flüssigkeit, an dem das Gas zugeführt wird, und dann
nach oben.
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Infolgedessen bewegen sich die sich in einem Strom oder Strömen
15 und/oder ig bewegenden Gasbläschen mit .der zirkulierenden Flüssigkeit
in diesem Strom oder Strömen 15 und/oder i9 in einer Richtung, abweichend
von der Richtung des Zuführungsteiles des Weges des betreffenden Stromes, an dem
das Gas der zirkulierenden Flüssigkeit zugeführt wird. Im Gegensatz dazu bewegen
sich die großen, sich in einem Strom oder Strömen 2o bebewegenden Bläschen nicht
mit der zirkulierenden Flüssigkeit unter Richtungsänderung von dem Zuführungsteil
des betreffenden abweichenden Weges des betreffenden Stromes, da solche großen Bläschen
die zirkulierende Flüssigkeit vor ,der Änderung der Richtung des Zuführungsteiles
des betreffenden `'reges verlassen. Da das Gas der zirkulierenden Flüssigkeit in
einem Punkt zugeführt wird, an dem der betreffende definierte Strom bzw. Ströme
der Zirkulierung andersgerichteteWegteile aufweisen, so wird also ein Verfahren
bzw. eine Einrichtung geschaffen, bei dem bzw. in der beispielsweise die Gasbläschen
sich mit der zirkulierenden Flüssigkeit über eine Strecke der oberen. Wegteile geänderter
Richtung nach abwärts bewegen.. Zur Erhaltung bester Resultate jedoch soll wenigstens
ein Teil der Gasbläschen zur Bewegung durch die gesamte Höhe der Flüssigkeitsmasse
gedrückt werden, um eine maximale Belüftung sicherzustellen.
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Die in den Gasraum A eintretenden, sich nach aufwärts bewegenden Bläschen
können durch das Auslaßrohr 5 entweichen.
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Auf diese Weise wird während des Betriebes der Einrichtung Gas kontinuierlich
aus dem Gasraum A in die Flüssigkeit hineingezogen, und Gas ebenfalls kontinuierlich
aus der Flüssigkeit in den Gasraum .d abgegeben.
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Zur -Aufrechterhaltung eines im wesentlichen konstanten Druckes in
dem Gasraum A, falls die Apparatur einen solchen Gasraum besitzt, wird zusätzliches
Gas durch das Rohr q. zugeführt, um bei dem betreffenden biochemischen Verfahren
verbrauchtes Gas zu kompensieren und das durch das Auslaßrohr 5 entwichene Gas zu
ersetzen. Das Volumen des Gasraumes A kann in irgendeinem Verhältnis zu dem
Volumen der Flüssigkeitsmasse 13 stehen.
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Die so geschaffene Bewegung und Belüftung ist besonders vorteilhaft
für technische Unterflüssigkeitskultur, bei der die Mikroorganismen unterhalb des
Flüssigkeitsspiegels L der Masse 13 gezüchtet werden und diese Mikroorganismen unterhalb
des Flüssigkeitsspiegels L die gewünschte Reaktion bewirken. Wenn dem flüssigen
Kulturmedium 13 eine Einimpfung zugefügt wird, so wird eine solche Einimpfung
sogleich und gleichförmig mit dem Kulturmedium vermischt, und ein solches inniges
Vermischen und Belüften kann während des gesamten Fermentationsprozesses bzw. einer
anderen biochemischen Umwandlung aufrechterhalten werden. Die Einrichtung ist in
allen den Fällen anwendbar, in denen es erwünscht ist, eine Flüssigkeitsmasse irgendwelcher
Art zu bewegen bzw. zu rühren, so daß der Bereich der Erfindung nicht auf einen
speziellen Zweck oder spezielle Zwecke beschränkt ist, obwohl sie bei biochemischen
Reaktionen von ganz besonderem Vorteil ist.
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Der Behälter i und sein Inhalt kann auf irgendeiner gewünschten Temperatur
gehalten werden durch Beaufschlagen der Außenwand dieses Behälters mit irgendeinem
Heiz- oder Kühlmedium, z. B. durch eine übliche Ummantelung, durch die ein Heizmedium
oder Kühlmedium durchgedrückt oder zirkuliert werden kann, oder durch Durchführen
eines solchen Heizmediums oder Kühlmediums durch ein oder mehrere im Innern des
Behälters i angeordnete, mit der Masse 13 in Berührung stehende Rohre.
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Wenn Penicillium notatum als Mikroorganismus zur Erzeugung von Penicillin
verwendet wird, kann beispielsweise die Höhe der Masse 7,5 m betragen, und der Fermentierungsbehälter
kann zylindrisch mit kreisförmigem horizontalem Querschnitt sein, dessen Durchmesser
im wesentlichen 1,2- m beträgt, so daß das Gesamtvolumen der Masse 13 von
Nährflüssigkeit etwa 8500 1 beträgt. Die Höhe des Gasraumes A kann 2,4o m betragen.
Der Motor 3 kann 8 PS besitzen zwecks Drehung der Welle mit 22oo U/min. Die Temperatur
der Nährlösung kann bei 25° C gehalten werden durch Versehen des Fermentierungsgefäßes
i mit einem äußeren Kühlmantel am unteren Teil oder durch irgendein beliebiges Mittel.
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Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines Fermentierungsbehälters
i mit einem Deckel beschränkt. Dieser Deckel kann fortgelassen werden, so daß der
Behälter i am oberen Teil mit der Atmosphäre in freier Verbindung steht. In diesem
Fall kann das gesamte Lüftungssystem mit irgendeiner Trägervorrichtung anstatt mit
dem Deckel 2 verbunden sein.
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Das Belüftungssystem kann vertikal bewegbar zu dem Spiegel der Masse
13 sein, so daß dieses
Belüftungssystem nach oben oder unten verschoben
werden kann, um Änderungen des Flüssigkeitsspiegels L dieser Masse 13 auszugleichen,
die bei manchen ae,roben biochemischen Verfahren eintreten können.
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Eine Reihe von Änderungen, Weglassungen und Zufügungen kann getroffen
werden, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen.