EP2459307A2 - Kavitationsreaktor - Google Patents

Kavitationsreaktor

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EP2459307A2
EP2459307A2 EP10725388A EP10725388A EP2459307A2 EP 2459307 A2 EP2459307 A2 EP 2459307A2 EP 10725388 A EP10725388 A EP 10725388A EP 10725388 A EP10725388 A EP 10725388A EP 2459307 A2 EP2459307 A2 EP 2459307A2
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EP
European Patent Office
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flow
cavitation
micro
section
reactor according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10725388A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dominik Maslak
Dirk Weuster-Botz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Muenchen
Original Assignee
Technische Universitaet Muenchen
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Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Muenchen filed Critical Technische Universitaet Muenchen
Publication of EP2459307A2 publication Critical patent/EP2459307A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0053—Details of the reactor
    • B01J19/006—Baffles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/40—Mixing liquids with liquids; Emulsifying
    • B01F23/41—Emulsifying
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    • B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
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    • B01J19/26—Nozzle-type reactors, i.e. the distribution of the initial reactants within the reactor is effected by their introduction or injection through nozzles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
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    • C02F1/34—Treatment of water, waste water, or sewage with mechanical oscillations
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    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T137/00—Fluid handling
    • Y10T137/0318—Processes

Definitions

  • the invention relates to a method and to a method using the cavitation reactor for generating hydrodynamic, homogeneous and oscillating cavitation bubbles. Furthermore, the invention encompasses a method for disinfecting a fluid, or the manipulation of biological membranes and cells, and a method for emulsifying or suspending or favoring the reaction of at least two substances.
  • Hydrodynamic cavitation is not yet developed in this respect.
  • the generation of hydrodynamic cavitation is limited to Venturi nozzles and their procedural description or modeling is based on fundamental fluid mechanical and geometric relationships and key figures.
  • the biologically interesting aspect of bubble oscillation is not considered in the field of hydrodynamic cavitation.
  • the pure intensity, described by the cavitation number, or the bubble collapse pressure as a measure of the effectiveness serves.
  • Cavitation describes the phenomenon of vapor bubble formation by local pressure reduction. It corresponds to the state change of a liquid into the gas phase at temperatures below the evaporation temperature. This effect is usually triggered by existing micro-gas bubbles or other impurities present in the water, such as particles or microbiological cells.
  • the local pressure reduction can be caused by changing the sound pressure (acoustically) or hydrodynamically by increasing the flow velocity. Usually mixed forms of vapor and gas bubbles are formed or both forms are present in a cavitation bubble. As long as there are favorable pressure conditions for the vapor pressure, or as long as rapidly changing pressure conditions are present, the bubbles undergo a period of oscillation with rapid and strong volume changes.
  • the initiation and the strength of the cavitation depend significantly on the flow velocity and the local turbulence.
  • An initiation for water and aqueous solutions at 20 ° C. and under atmospheric pressure conditions is possible as early as a velocity of 14 ms "1.
  • Characteristic of the hydrodynamic cavitation is often a turbulence-dependent pulsating generation of cavitation at corresponding surfaces and stalls or vortices. This generation is superimposed on the outside to a seemingly continuous cavitation. In reality, they dissolve However, usually swarms of bubbles and bubble fields in high frequency on corresponding surfaces or known from, until again builds a new front. This leads to a truly inhomogeneous and discontinuous impingement of the flow with cavitation or vapor bubbles.
  • a cavitation-induced transient perforation of tissue cells is known, which is used, for example, to infiltrate substances into cells.
  • the bubbles are often provided as stabilized microbubbles or also known as ultrasound contrast agents.
  • the excitation of these microbubbles is carried out by ultrasound of suitable intensity and frequency. Due to the rapid oscillations and pressure fluctuations of the oscillating bubbles, the cell membrane can be perforated in the short term and thus short-term stable hydrophilic pores in the cell membrane can be created. Through these pores, a diffusion process or mass transport into the cell can be significantly accelerated.
  • radical bladder collapse which can cause lasting damage to cells and even lethal ones, can also be seen.
  • cavitation is suitable for disrupting cells or for specifically destroying the cell envelopes and membranes.
  • the damage to e.g. Yeast cells are visualized by microscopic images.
  • studies on cell digestion behavior and protein release have been carried out under various process conditions and biochemical factors such as e.g. the growth state of E. coli.
  • cavitation usually arises by stall. This creates a temporally inhomogeneous state of vapor bubble formation with a change from three states: construction of bubble clusters, detachment of the flow and the bubble cluster and short-term homogeneous flow around the component or the edge without blistering.
  • the initiative generation of vapor bubbles usually occurs in the turbulent flow fields in the immediate vicinity of stall edges. A large part of the flow is spared from this initial generation of cavitation bubbles. Only the turbulent dynamics of the surrounding bubble clusters can cause further spontaneous cavitation formation in these zones.
  • known solutions can not maintain a temporally or spatially extended oscillation field for bubbles.
  • the task includes the optimization of the hydrodynamic cavitation, in order to create the most homogeneous bubble distribution in a liquid volume and stable, oscillating bubble fields over adjustable periods of time. This is intended to be a better and more economical compared to known methods and devices for hydrodynamic or acoustic cavitation Possibility for cell manipulation, reaction favoring or emulsion production can be achieved.
  • the object also includes the use for the mixing of liquids and solids for better stabilization or formation of a suspension.
  • for the comminution and deagglomeration of particles and for general enhancement of reactions that require a strong mixing and targeted energy input such as the catalytic conversion of substances and diffusion-limited reactions.
  • a cavitation reactor for the hydrodynamic generation of homogeneous, oscillating cavitation bubbles in a fluid, comprising forming a flow channel and arranged successively in the flow direction of the fluid, an acceleration section designed to increase a flow velocity, a diaphragm arranged transversely to the flow direction with a plurality of for the generation of cavitation bubbles formed micro-passages, wherein over a total, defined on a flowed side of the aperture flow cross-sectional area at least 10 micro-passages per cm 2 are formed, stabilizing an oscillation of cavitation bubbles formed stabilizing portion, and a collapse portion with at least one expansion of a flow cross-sectional area of the flow channel in the flow direction.
  • the aperture on which the cavitation is formed thus comprises a large number of micro-passages or micro-holes. Looking at the surface of the diaphragm facing the flow, at least 10 of these micro-passages per cm 2 can be seen here.
  • the micro-passages are distributed uniformly over the entire surface that has been flowed on.
  • the pressure of the fluid relative to a normal pressure at the end of the cavitation reactor is further increased by means of preferably a pump.
  • the speed of the fluid flow is preferably increased by a multiple.
  • the novel geometry according to the invention optimally combines one energetically efficient and spatially and temporally homogeneous generation of cavitation and vapor bubbles. Furthermore, the generated bubble field is stably maintained in a dynamically oscillating state in a region of high flow velocity and deliberately forced to a final collapse only very late. Thus, the theoretically described requirements for cell manipulation or membrane perforation by cavitation are met to a very high degree.
  • the flow cross-sectional area in the acceleration section continuously narrows in the flow direction.
  • a constant-running pump is used in front of the acceleration section. Due to the narrowing flow cross section in front of the aperture, the fluid is then accelerated.
  • the acceleration section comprises an inner nozzle cone which narrows in the flow direction and extends to the diaphragm, so that the flow cross-sectional areas in the acceleration section and the flow cross-sectional area of the diaphragm are annular.
  • the aperture can be advantageously attached to the end of this nozzle cone. As a result, a stable mounting of the aperture is possible. Furthermore, the nozzle cone allows a very narrow narrowing of the flow cross-sectional area in the acceleration section.
  • the nozzle cone converges before the acceleration section to a point pointing in the direction of flow.
  • the inflowing fluid is split into a ring shape as far as possible without turbulence.
  • the acceleration section for generating a twist in the fluid comprises helical wall elements.
  • a swirl is brought about for a better mixing of the flow lines.
  • the flow cross-sectional area decreases over the acceleration range, ie from the beginning of the acceleration range to the beginning of the diaphragm, by 70% to 99%, in particular 80% to 96%, in particular 90% to 93%.
  • the flow cross-sectional area of the preferably annular diaphragm has at least 26, in particular at least 50, in particular at least 100, in particular at least 150, in particular at least 200, micro-passages. The more micro-passages the aperture has, the more demolition edges are available for cavitation bubble formation.
  • the micro-passages each have a passage area ⁇ 3 mm 2 , in particular ⁇ 2 mm 2 , in particular between 0.01 mm 2 and 1 mm 2 , in particular between 0.1 mm 2 and 0.2 mm 2 .
  • the passage area of the micro-passages is to be measured when viewed perpendicularly to the flow cross-sectional area of the diaphragm, in which case the clear passage area is decisive.
  • the decisive factor here is that most of the micro-passages correspond to the given orders of magnitude.
  • At least 20, in particular at least 50, in particular at least 100, in particular at least 200, in particular at least 1000, micro-passages per cm 2 are formed over the entire flow cross-sectional area defined on the flowed-on side of the diaphragm.
  • the more micro-passages per area that is flown on, the more break-off edges are available for cavitation bubble formation.
  • the bubble and cavitation generation fluctuates over more micro-passages and the bubble clusters break at different times so that a quasi-spatial, temporal, stationary and homogeneous cavitation bubble field arises
  • the micro-passages of the diaphragm are round or angular, in particular square or diamond-shaped. Due to the different configuration of the micro-passages, a certain number of micro-passages per area can be arranged for a given size. It is both preferable to provide micro-passages of different shape within a diaphragm, as well as to form a diaphragm with micro-passages exclusively in a mold.
  • the diaphragm is designed as a micro-grid or micro-tissue.
  • a material with a diameter of 0.01 mm to 1, 0 mm, in particular from 0.1 mm to 0.3 mm, in particular of 0.2 mm is used for the micro-grid or micro-fabric.
  • the preferred micro-passages have a mesh size of 0.1 mm to 1, 7 mm, in particular 0.2 mm to 0.8 mm, in particular 0.4 mm.
  • the mesh size is defined as the inside width of the mesh.
  • the mesh width is thus the inside width between two adjacent parallel wires or fabric threads.
  • Other embodiments may be diamond-shaped and entirely Provide parallel alignment of the micro-passages in the diaphragm plane.
  • preferably parallel wires or rods are used.
  • a metal wire with a round or angular or triangular cross-section is used for the material of the micro-grid or micro-fabric. Due to the special configuration of the wire cross-section, the condition of the cavitation and in particular the turbulence and vortex formation and thus the detachment of the cavitation bubbles from the grid can be influenced.
  • the wire is used with an isosceles, triangular cross-section, wherein the wire is arranged in the grid such that the apex of the triangle turns counter to the flow direction and thus the flow along the two legs is split.
  • the aperture As an alternative to the design of the aperture as a micro-grid or micro-tissue, it is preferable to form the aperture as a micro-well plate, especially in the case of large flow cross-sections, the more stable micro-well plate can be used instead of the micro-grid or micro-tissue.
  • the micro-passages can also have the properties described above, be square in shape, diamond-shaped or rectangular or be formed as a one-dimensional columns.
  • the axial configuration can also be designed preferably in the form of triangles tapering in the direction of flow.
  • the thickness of the micro-hot plate should preferably be 0.1 times to 50 times a diameter or the edge length of a square or rectangular micro-passage, in particular 0.3 times to 5 times, in particular 0.5 times to 2 -fold.
  • micro-grid or a micro-tissue preferably with a linkage
  • this configuration can be used stably with large flow cross-sections.
  • a porous material is to be listed.
  • a porous material instead of micro-plates or micro-grids also a porous material form the diaphragm.
  • extremely small micro-passages can be realized in a confined space.
  • the flow cross-sectional area over the stabilization section increases slightly or is constant throughout. This very slight change of the Flow cross-section and the constant flow cross-section does not preclude that due to structural design shortly after the aperture a small jump-like flow cross-sectional widening can take place.
  • the flow cross-sectional area at the beginning of the stabilization section corresponds to 100% to 200%, in particular 110% to 150%, in particular 120% to 130% of the flow cross-sectional area of the preferably annular diaphragm.
  • the widening in relation to the permeable area of the micro-passages is preferably 200% to 1000%, in particular 250% to 600%, in particular 280% to 300%.
  • the axial length of this stabilizing section is preferably 3 to 75 times, preferably 5 to 45 times, preferably 7 to 15 times the tube diameter of this section. Due to this relatively small expansion after the aperture, on the one hand, the cavitation bubbles are kept stable oscillating, on the other hand, the cavitation bubbles have enough space to be distributed homogeneously.
  • the flow cross-sectional area in the collapse section widens in the collapsing section, which adjoins the stabilization section directly. It is preferable for the flow cross-sectional area in the collapse section to expand in a large step by 10 to 30 times the flow area of the stabilization section and / or in a plurality of small steps, preferably in the steps of 0.01 times to 1 times, in particular expands by 0.1 times to 0.3 times the diameter of the stabilizing section and / or with a constant opening angle and / or with different continuously or discontinuously merging opening angles, preferably angles of 2 ° -20 °, in particular angles of 4 ° - 10 °.
  • a defined and discrete end of the cavitation bubbles can be realized.
  • the cavitation reactor comprises a forward flow section arranged in the flow direction directly in front of the acceleration section and having flow rectifiers for calming the fluid.
  • the already described, pointing in the direction of flow tip of the nozzle cone extends into this forward section into it.
  • the invention further comprises a method for the hydrodynamic generation of homogeneous, oscillating cavitation bubbles in a fluid, comprising the following steps in the order given: accelerating the fluid, flowing a diaphragm with a plurality of micrometers through with the fluid for generating the cavitation bubbles, via an entire flow cross-sectional area defined on a flow-side of the orifice is formed at least 10 micro-passages per cm 2 , stabilizing an oscillation of the cavitation bubbles, and expanding a flow cross-sectional area of the fluid along the flow direction to collapse the cavitation bubbles.
  • the invention comprises a method for disinfecting a fluid, comprising the method just described for the hydrodynamic generation of homogeneous, oscillating cavitation bubbles, wherein prior to the flow of the plurality of micro-passages, the fluid is mixed with disinfectant, in particular disinfecting fluid.
  • a bacterial count in the fluid is determined before the fluid is displaced with disinfectant and / or after the flow cross-section has been widened.
  • the fluid circuit can be controlled according to these measurements.
  • the adaptation of the cavitation conditions or the amount of disinfectant, and a possibly required renewed passage of the cavitation reactor or a passage through a further downstream cavitation reactor can be regulated.
  • the invention further comprises a process for emulsifying or suspending or for promoting the reaction of at least two substances, in particular two liquids or a liquid and a solid or a liquid and a gas, comprising the already described method for the hydrodynamic generation of homogeneous, oscillating cavitation bubbles, wherein the Fluid is composed before the flow of the diaphragm from the at least two different substances.
  • ethanol and / or water and / or an adjuvant is added to the fluid.
  • the cavitation allows the smallest units of the liquids and / or solid particles to be mixed to be stirred through, so that a comminution of the droplets and / or solid units results, which leads to a stable emulsion or suspension.
  • cavitation increases the interface between two liquids so that they can optimally react with each other, or the mass transport across the phase boundary is favored.
  • the advantageous embodiments of the cavitation reactor according to the invention already described also find appropriate application to the process for emulsifying or favoring the reaction of diffusion-limited or catalytic reactions which are positively influenced by high mixing and turbulence.
  • biological materials in particular biological cells and their cell envelopes and membranes.
  • the cell-perforating effect of oscillating cavitation bubbles can advantageously be used in combination with disinfectants.
  • Most disinfectants can not pass the membrane of the cell or only with high diffusion pressure or high concentration. The effect is thus limited to the surface although the best site of action would be in the bacterial cell, e.g. at the DNA or RNA or intracellular enzymes and enzyme complexes, and there would more quickly lead to lethal inactivation.
  • Particularly advantageous is a combination of chlorine dioxide with oscillating cavitation.
  • an increase in inactivation since the transient perforation of the cell membrane, the chlorine dioxide can diffuse better and faster to the site of action in the cell.
  • the disinfectant from a template by metering pump in the main stream in an adjusted amount, dosed.
  • an ideal premix of the disinfectant already arises in the pump.
  • the invention comprises a method for hydrodynamically generated short-term cell and membrane manipulation, comprising the method for the hydrodynamic generation of homogeneous, oscillating cavitation bubbles, in the type of transient membrane perforation to increase the permeability for all substances that otherwise would have little or no permeability.
  • the already discussed advantageous embodiments of the method according to the invention for the hydrodynamic generation of homogeneous, oscillating cavitation bubbles naturally also find appropriate application to the method according to the invention for hydrodynamically generated short-term cell and membrane manipulation.
  • FIG. 1 shows a cavitation reactor 1 according to the embodiment.
  • the application refers to aqueous solutions that have been deliberately inoculated with bacteria.
  • the dimensioning of the reactor was carried out for a pilot laboratory scale.
  • the Treatable flow rates vary from 0.3 L s "1 - 0.5 L s ' 1 at pressure drops of 2.5 bar to 10 bar
  • the system is designed to be open and therefore still subject to atmospheric pressure
  • the temperature of the aqueous solution was in this case, 20 ° C.
  • the tube cross section before and after the cavitation reactor is 20 mm.
  • Both the reactor and the lead and tail are made of hydraulically smooth stainless steel (V4A, surface roughness ⁇ 2 ⁇ m)
  • V4A hydraulically smooth stainless steel
  • the acceleration section 5, the diaphragm 6, the stabilizing section 7 and the collapse section 8 directly adjoin one another and form a Flow channel 3.
  • the fluid flows from the acceleration section 5 to the collapse section 8. 6 cavitation bubbles 2 are generated at the aperture.
  • the cavitation bubbles 2 are extremely small and can therefore only be represented schematically in FIG.
  • the acceleration section 5 comprises a nozzle cone 9.
  • This nozzle cone 9 serves for further constriction of the flow cross-section along the flow direction 4 and is arranged rotationally symmetrical to a center axis 10 of the flow channel 3.
  • the nozzle cone 9 ends directly at the beginning of the diaphragm 6. This makes it possible that the diaphragm 6 with a screw 19 ( Figure 2) can be screwed onto the front end of the nozzle cone 9. With its outer circumference, the diaphragm 6 is supported on a lattice stop 18 (FIG. 2).
  • the collapsing section 8 initially comprises four smaller successive steps 20 and then four larger successive steps 21 for cross-sectional widening.
  • the end of the collapse portion 8 is formed as a flange 22.
  • FIG. 2 shows a section of the cavitation reactor 1 according to the embodiment and a section AA.
  • the aperture 6, formed as a micro-grid rests in the middle of the nozzle cone 9 and is screwed.
  • An outer peripheral edge of the panel 6 lies on the grid stop 18 on. This creates between the grid stop 18 and the nozzle cone 9 a flow cross-sectional area of the aperture 6 in ring form.
  • a first diameter 11 shows an initial diameter of the nozzle cone 9 at the beginning of the acceleration section 5.
  • a second diameter 12 also shows at the beginning of the acceleration section 5, the maximum inner diameter of the acceleration section 5.
  • This second Diameter 12 narrows along the flow direction 4 to the end of the acceleration section 5 to a third diameter 13.
  • the first diameter 11 narrows along the flow direction 4 to the end of the nozzle cone 9 and to the end of the acceleration section 5 to the fourth diameter 14th
  • the difference between the third diameter 13 and the fourth diameter 14 defines an annular surface.
  • the section in Figure 2 shows an overall diameter 15 of the diaphragm used 6.
  • FIGS. 1 and 2 in contrast to all other known apparatuses and geometries, effects the already described advantageous generation of the homogeneous, oscillating cavitation, e.g. for membrane poration or cell manipulation.
  • This stabilizing section 7 is initially designed as a pipe section with a further constant narrow cross-section, in order to keep the flow rate high enough.
  • the static pressure is still low enough to keep the oscillating cavitation bubbles 2 stable.
  • the cavitation bubbles 2 thus have a longer residence time in the apparatus and can also undergo several hundred oscillations.
  • the outlet or the collapse section 8 is formed in a slow cross-sectional widening in which the static pressure increases again and the cavitation bubbles 2 finally are forced to collapse. Depending on the flow rate, this range also falls on ever-increasing cross-sectional areas or the area of the bubble oscillation increases. In this Kollableitersabites 8 the typical pressure waves are released, as they are known from conventional cavitation. This additionally provides short-term high energies and shear stresses.
  • a flow to be provided in the flow direction 4 in front of the acceleration section 5.
  • the separation and the calming of the volume flow are on the annular gap by means of a tip and / or by means of flow straighteners. This is preferably done with a diameter of about 20 mm over a length of 75 mm.
  • the first diameter 11 is in the exemplary embodiment 10 mm
  • the second diameter 12 is 20 mm
  • the third diameter 13 is 6.4 mm
  • the fourth diameter 14 at 4 mm.
  • the acceleration section 5 extends over a length of 75 mm.
  • the mesh size of the micro-grating of the aperture 6 used in the embodiment is 0.4 mm with a wire thickness of 0.2 mm. This results in a free grid area of 44%.
  • the sixth diameter 16 is 5.6 mm and the stabilizing section 7 extends over 40 mm.
  • the four small steps 20 of the collapsing section 8 increase the cross section every 5 mm in steps of 0.2 mm.
  • the large steps 21 increase the cross section every 10 mm in increments of 1 mm.
  • cavitation reactor 1 may be provided to the flange 22 at the end of the Kollab istsabitess 8 preferably a spout with an initial diameter of 10 mm and an extension to 20 mm.
  • the cross-sectional increase in the collapse section 8 may preferably be configured in a helical manner, so that a very gentle increase in pressure is realized and thus an extended collapse zone is created in the axial direction.
  • the energy efficiency of the cavitation reactor according to the invention is compared with other types of cavitation generators of similar dimensions, with respect to the volume flow and the free cross-sectional area.
  • 3 shows a plot of the achievable cavitation number C v over the hydraulic power to be provided in kWh per m 3 of treated water.
  • the hydraulic power here corresponds to the product of volume flow and Pressure loss. The lower the C v values can be achieved with the lowest possible energy input, the better the conversion of the energy into the cavitation, ie, the farther left in FIG. 3 the corresponding curve runs, the more effective is associated cavitation generation.
  • the first curve 24 shows the measurement on the cavitation reactor 1 according to the invention according to the exemplary embodiment.
  • the second curve 25 shows cavitation with a 12-fold perforated plate designed for comparison purposes, with a diameter of 1.0 mm per hole and a free flow area of 9.5 mm 2 .
  • a third curve 26 shows measurement results of a pinhole with only one hole and diameter 3.3 mm and thus free flow area of 8.6 mm 2 .
  • a fourth curve 27 shows measurement results on a conventional venturi nozzle, with a diameter of 3.3 mm and a length of 100 mm. With the cavitation number of 0.2, an operating point 28 of the cavitation reactor 1 according to the exemplary embodiment is shown.
  • the cavitation reactor 1 according to the invention has a significantly higher efficiency in the cavitation yield at the operating point 28 (C v ⁇ 0.2) than a pinhole diaphragm with large and few holes or a simple Venturi nozzle. Only at very high volume flows and energy inputs are similar efficiencies achieved. However, the described advantages of homogeneous, oscillating bubble fields are only achieved by the variant according to the invention.
  • the diagram in FIG. 4 shows a measurement at the cavitation reactor 1 according to the exemplary embodiment and represents the cavitation number C v over the volume flow in Ls "1.
  • a fifth curve 29 shows pressure-corrected values of the cavitation number C v at the diaphragm 6.
  • a sixth curve 30 shows the course of the cavitation number above the volume flow in Kavitationsreaktor 1 at the end of the stabilizing section 7 at the diameter 6 of 5.6 mm.
  • the higher efficiency at the operating point 28 is due to the special property of homogeneous bubble generation in the lattice plane.
  • the operating point 28 is at a flow rate of about 0.32 L / s with full cavitation formation in the stabilization section 7.
  • a standard 5.6 mm venturi nozzle similar to the sixth diameter 16 would not yet cavitate.
  • the C v value would still be too high at about 1, 3 and the cavitation does not begin.
  • cavitation from the aperture 6 begins at approximately 0.2 L / s. If the volume flow is increased to a value of 0.315 L / s, the cavitation abruptly expands out of the lattice plane far into the stabilization section 7, although theoretically this would not be possible for a cavitation number of approximately 1.4 for this region. Only from the first extensions of the collapsing section 8 are the bubbles 2 forced to collapse. Until then, a homogeneous field of oscillating cavitation bubbles 2 extends, which is maintained even under non-cavitative conditions. If the volume flow is increased further, the cavitation zone extends further and further into the opening cone. The bubble collapse then happens e.g. only in the area of the 7.0 or 8.0 mm cross section.
  • the line perforating effect of oscillating cavitation bubbles 2 in combination with disinfectants can be practically applied. Most disinfectants can not pass the membrane of the cell or only with high diffusion pressure or high concentration. The effect is thus limited to the surface of the cell, although the best site of action in the bacterial cell, e.g. at the DNA or RNA or intracellular enzymes and enzyme complexes, and would lead there faster to lethal inactivation.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the cell perforation by means of hydrodynamic cavitation.
  • a cell membrane 32 is shown. Outside the corresponding cell is the outer space 31. Within the cell is the interior space 33.
  • an oscillating bladder 34 is shown with a minimum maximum diameter shown in dashed lines. By oscillating the bladder 34, the cell membrane 32 is at least temporarily opened, so that active ingredient can penetrate into the interior space 33 or can flow from the interior space 33 into the exterior space 31.
  • Figure 5 illustrates the mechanism underlying the increase in inactivation efficiency. By combining chlorine dioxide with oscillating cavitation, an increase in inactivation is thus observed, since the transient perforation of the cell membrane 32 allows the chlorine dioxide to diffuse better and faster to the site of action in the cell.
  • FIG. 6 shows a schematic process sequence for disinfecting a fluid by means of the cavitation reactor 1 according to the exemplary embodiment.
  • a first sampling 35 for determining the germ count and then a pressure-increasing device 36 are provided along the flow direction 4.
  • the cavitation reactor 1 connects.
  • a hold / contact time 37 is provided.
  • a second sampling 38 takes place for determining the germ count after cavitation.
  • chlorine dioxide is introduced as a disinfectant 39 from a reservoir into the main fluid flow by means of a metering pump 40.
  • the basic process flow is shown in FIG. 6.
  • the disinfectant 39 from a template by means of the metering pump 40 in the main stream, in an adjusted amount, dosed. In the metering pump 40, this already creates an ideal premix of the disinfectant 39.
  • the cavitation reactor 1 is run through and then still the corresponding holding / exposure time 37, which leads to the desired inactivation granted.
  • FIG. 7 shows a graph with the germ count in colony forming units ml '1 over time in minutes to illustrate the efficient disinfection method according to FIG.
  • the dashed line 41 in Figure 7 shows a specific inactivation rate according to standard inactivation for E. coli at 0.3 mg L "1 chlorine dioxide, whereas the four measurement points 42 show the measurement results when using the method according to FIG. It can be shown with the results according to FIG. 7 that after the passage through the cavitation reactor 1 a higher inactivation can be achieved than in the sole treatment with chlorine dioxide 39.
  • chlorine dioxide 39 With the combination of chlorine dioxide 39 and the cavitation reactor 1 according to the invention, more than 50% of chlorine dioxide 39 can be saved.
  • Optimizing the process conditions and process management can further reduce the amount of chlorine dioxide 39.
  • the chemical load of the process water is reduced by half, so that much fewer side reactions with harmful product formation occur.For many disinfectants unite Furthermore, the handling and stocking fills up.

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Abstract

Kavitationsreaktor zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierender Kavitationsblasen in einem Fluid, umfassend, einen Strömungskanal bildend und aufeinanderfolgend in Strömungsrichtung des Fluides angeordnet, einen zur Erhöhung einer Strömungsgeschwindigkeit ausgebildeten Beschleunigungsabschnitt, eine quer zur Strömungsrichtung angeordnete Blende mit einer Vielzahl von zur Erzeugung der Kavitationsblasen ausgebildeten Mikrodurchlässen, wobei über eine gesamte, auf einer angeströmten Seite der Blende definierte Strömungsquerschnittsfläche zumindest 10 Mikrodurchlässe pro cm2 ausgebildet sind, einen zur Stabilisierung einer Oszillation der Kavitationsblasen ausgebildeten Stabilisierungsabschnitt, und einen Kollabierungsabschnitt mit zumindest einer Aufweitung einer Strömungsquerschnittsfläche des Strömungskanals in Strömungsrichtung.

Description

Kavitationsreaktor
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie einen das Verfahren anwendenden Kavitationsreaktor zur Erzeugung hydrodynamischer, homogener und oszillierender Kavitationsblasen. Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Desinfektion eines Fluides, bzw. der Manipulation von biologischen Membranen und Zellen sowie ein Verfahren zum Emulgieren oder zum Suspendieren oder zur Reaktionsbegünstigung zumindest zweier Stoffe.
Akustische Kavitation wird heutzutage in vielen verschieden Bereichen eingesetzt um stoffliche Umsetzungen und Reaktionen in wässrigen Lösungen zu beschleunigen oder erst zu ermöglichen. Auch die Möglichkeit biologische Zellen zu beeinflussen wir dabei diskutiert. Für die akustische Kavitation gibt es, besonders aus der medizinischen Ultraschall-Forschung, bereits mehr Modellvorstellungen und Maßstabsgesetze als für die hydrodynamische Kavitation. Ein wichtiges Ergebnis ist dabei, dass eine durch die Druckamplituden hervorgerufene Oszillation von Mikroblasen sowie neu hervorgerufene Kavitationsblasen einen wichtigen Einfluss auf die Zellmembran besitzen. Es wurde gezeigt dass diese oszillierenden Blasenfelder biologische Membranen kurzzeitig transient öffnen und schließen können, ohne dass die Zellen dabei größeren Schaden nehmen oder gar letal geschädigt werden. Abhängig von der Intensität der Kavitation bzw. der Druckamplitude und der Frequenz können ein Teil der Zellen jedoch auch dauerhaft geschädigt und auch abgetötet werden.
Die hydrodynamische Kavitation ist diesbezüglich noch nicht so weit entwickelt. Die Erzeugung der hydrodynamischen Kavitation beschränkt sich dabei auf Venturi- Düsen und deren verfahrenstechnische Beschreibung bzw. Modellierung beruft sich auf grundlegende strömungsmechanische und geometrische Zusammenhänge und Kennzahlen. Der biologisch interessante Aspekt der Blasenoszillation wird im Bereich der hydrodynamischen Kavitation nicht berücksichtigt. Hier dient nur die reine Intensität, beschrieben durch die Kavitationszahl, oder der Blasenkollapsdruck als Maßstab für die Effektivität.
Kavitation beschreibt das Phänomen der Dampfblasenbildung durch lokale Druckabsenkung. Es entspricht der Zustandsänderung einer Flüssigkeit in die Gasphase bei Temperaturen unter der Verdampfungstemperatur. Ausgelöst wird dieser Effekt meist an schon vorhandenen Mikro-Gasblasen oder anderen im Wasser vorhandenen Störstoffen wie z.B. Partikel oder mikrobiologischen Zellen. Die lokale Druckabsenkung kann zum einen durch wechselnden Schalldruck (akustisch) oder hydrodynamisch durch Erhöhung der Fließgeschwindigkeit bewirkt werden. Es entstehen meist Mischformen aus Dampf und Gasblasen bzw. liegen beide Formen in einer Kavitationsblase vor. So lange dann für den Dampfdruck günstige Druckbedingungen vorliegen, oder so lange schnell wechselnde Druckbedingungen vorliegen, durchlaufen die Blasen eine Zeit der Oszillation mit schnellen und starken Volumenänderungen. Wenn die Kavitationsblasen aber wieder in einen Bereich mit Überdruck (oberhalb des Dampfdrucks) geraten, kollabieren die meisten Blasen unter kurzfristiger und lokaler starker Druck- und Temperaturerzeugung. Dieser Effekt sowie der asphärische Kollaps in der nähe von festen Oberflächen mit Micro-Jet- Bildung führen zu den bekannten Schäden an Strömungsmaschinen.
Bei der akustischen Kavitation wird durch intensiven Schalleintrag mittels einer Sonotrode oder einem Schwinger entsprechend wechselnde Druckfelder im Wasser erzeugt. In den Druckminima dieser Schwingungen wird der Dampfdruck der Flüssigkeit erreicht oder unterschritten, so dass es zur Blasenbildung und zum Blasenwachstum kommt. Abhängig von der Druckamplitude und der Frequenz verändern sich die Eigenschaften dieser Dampf- und Gas-Mischblasen und sie durchlaufen entweder eine Phase der Oszillation oder kollabieren. Bei der medizinischen Ultraschalldiagnostik bzw. auch beim therapeutischen Einsatz werden gezielt stabilisierte Mikro-Gasblasen eingesetzt um eine höhere Anzahl an Initiationsgaskeimen oder oszillationsfähigen Gasblasen bereit zustellen.
Bei der hydrodynamischen Kavitation hängen die Initiierung und die Stärke der Kavitation (Anzahl und Heftigkeit der Dampfblasen) maßgeblich von der Strömungsgeschwindigkeit und der lokalen Turbulenz ab. Eine Initiierung für Wasser und wässrigen Lösungen bei 200C und unter atmosphärischen Druckbedingungen ist schon ab einer Geschwindigkeit von 14 m s"1 möglich. Für andere Flüssigkeiten als Wasser hängt dies stark von intrinsischen Faktoren wie ihrer Dicht, Viskosität und Dampfdruck ab. Qualitativ beschreiben lässt sich die Kavitationsneigung und auch die stärke der Kavitation durch die dimensionslose Kavitations-Kennzahl Cv :
P -P,
Cv = 0.5 - p - F2
Die Kavitationszahl Cv ist abhängig von der Differenz aus Umgebungsdruck P00 und dem Dampfdruck Pd, dividiert durch die Dichte p der Flüssigkeit und dessen höchste Geschwindigkeit V- in der Anströmung bzw. Umströmung eines Bauteils. Ab Cv= 1 ist mit dem Einsetzen der Kavitation zu rechnen und für kleiner werdende Werte von Cv nimmt die Wahrscheinlichkeit und dann die Intensität der Kavitation zu.
Charakteristisch für die hydrodynamische Kavitation ist oft eine turbulenzabhängige pulsierende Erzeugung der Kavitation an entsprechenden Oberflächen und Strömungsabrissen bzw. Wirbeln. Diese Erzeugung überlagert sich nach außen gesehen zu einer scheinbar kontinuierlichen Kavitation. In Wirklichkeit lösen sich jedoch meist immer Schwärme an Blasen und Blasenfeldern in hoher Frequenz an entsprechenden Oberflächen bzw. Kannten ab, bis sich wieder eine neue Front aufbaut. Dies führt zu einer tatsächlich inhomogenen und unkontinuierlichen Beaufschlagung der Strömung mit Kavitation bzw. Dampfblasen.
Aus Ergebnissen der medizinischen Ultraschallforschung ist eine kavitationsinduzierte vorübergehende Perforation von Gewebezellen bekannt, die beispielsweise dazu genutzt wird, Stoffe in Zellen einzuschleusen. Hierbei spielt jedoch mehr das Ausmaß einer zellnahen Blasenoszillation (schnelle periodische Volumenänderungen verursacht durch passende Frequenz und Amplitude des Ultraschalls) und eine möglichst hohe Anzahl und homogene Verteilung an Blasenkeimen eine wichtigere Rolle, als einzelne radikale Blasenkollapse. Die Blasen werden oft als stabilisierte Mikroblasen oder auch bekannt als Ultraschall- Kontrastmittel zur Verfügung gestellt. Die Anregung dieser Mikroblasen erfolgt durch Ultraschall geeigneter Intensität und Frequenz. Durch die schnellen Schwingungen und Druckschwankungen der oszillierenden Blasen kann die Zellmembran kurzfristig perforiert werden und damit kurzfristig stabile hydrophile Poren in der Zellmembran geschaffen werden. Durch diese Poren kann dann ein Diffusionsvorgang oder auch Stofftransport in die Zelle erheblich beschleunigt werden.
Abhängig von der Intensität des Ultraschalls zeigen sich auch radikale Blasenkollapse, die Zellen auch nachhaltig Beschädigen und sogar letal zerstören können.
Ferner ist bekannt, dass sich Kavitation dazu eignet um Zellen aufzuschließen oder auch die Zellhüllen und Membranen spezifisch zu zerstören. Die Schäden an z.B. Hefezellen werden durch mikroskopische Aufnahmen dargestellt. Es wurden bisher Untersuchungen zum Zeilaufschlussverhalten und zur Proteinfreisetzung bzw. Produktfreisetzung unter verschiedenen Prozessbedingungen und biochemischen Einflussfaktoren durchgeführt, wie z.B. dem Wachstumszustand von E. coli.
Aus der DE 102 14 689 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerstören zellularer Strukturen in Suspensionen von Mikroorganismen bekannt. Hier werden die energetischen Vorteile der hydrodynamischen Kavitation gegenüber der akustischen Kavitation zur Desintegration von Agglomeraten aus Biomasse und der Zellaufschluss zur Freisetzung von organischer Masse für eine bessere Verwertung bzw. Abbau von Abwasserschlämmen beschrieben. Prinzip zur Erzeugung von Kavitation ist hierbei eine Lavaldüse mit definierten Querschnitten.
In vorbekannten Vorrichtungen entsteht die Kavitation meist durch Strömungsabriss. Dadurch entsteht ein zeitlich inhomogener Zustand der Dampfblasenbildung mit einem Wechsel aus drei Zuständen: Aufbau von Blasen-Clustern, Ablösen der Strömung und der Blasen-Cluster und kurzzeitige homogene Umströmung des Bauteils oder der Kante ohne Blasenbildung. Die initiative Generierung von Dampfblasen erfolgt meist in den turbulenten Strömungsfeldern in direkter Nähe von Strömungsabrisskanten. Ein Grossteil der Strömung bleibt von dieser initiativen Generierung an Kavitationsblasen verschont. Erst die turbulente Dynamik der umgebenden Blasen-Cluster vermag eine weitere spontane Kavitationsbildung in diesen Zonen zu bewirken. Ferner können bekannte Lösungen ein zeitlich oder auch räumlich ausgedehntes Oszillationsfeld für Blasen nicht aufrecht erhalten. Bei vorbekannten Methoden folgt nach der Blasengenerierung eine drastische Querschnittserweiterung mit Druckanstieg und damit der Kollaps der Blasen. Somit ist keine effiziente Kavitationsausbeute mit geringen Druckverlusten möglich. Geometrien die als kurzer Spalt aufgebaut sind verursachen stark ausgeprägte Turbulenzfelder und Reibung an Rohrwandungen, die sehr viel Energie, meist nutzlos in Form von Reibung und Wärme, dissipieren. So fungiert z.B. eine Engstelle, wie sie vorbekannt zur Kavitationsblasenerzeugung genutzt wird, auch als Drossel zur Reduzierung des statischen Drucks. D.h., dass an dieser Drossel in erster Linie die Energie ohne Kavitationsbildung vernichtet wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren sowie einen das Verfahren anwendenden Kavitationsreaktor zur Erzeugung hydrodynamischer, homogener und oszillierender Kavitationsblasen bereitzustellen. Die Aufgabenstellung umfasst die Optimierung der hydrodynamischen Kavitation, um zum einen eine möglichst homogene Blasenverteilung in einem Flüssigkeitsvolumen und zum anderen stabile, oszillierende Blasenfelder über einstellbare Zeiträume zu erzeugen. Hierdurch soll eine, im Vergleich zu bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur hydrodynamischen oder akustischen Kavitationserzeugung, bessere und auch wirtschaftlichere Möglichkeit zur Zellmanipulation, Reaktionsbegünstigung oder Emulsionsherstellung erreicht werden. Des Weiteren umfasst die Aufgabe auch den Einsatz für die Mischung von Flüssigkeiten und Feststoffen zur besseren Stabilisierung oder Bildung einer Suspension. Des weiteren zur Zerkleinerung und Desagglomeration von Partikeln und zur allgemeinen Steigerung von Reaktionen die eine starke Durchmischung und gezielten Energieeintrag bedingen wie z.B. die katalytische Umsetzung von Stoffen und diffusionslimitierte Reaktionen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmalskombination der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung auf.
Somit wird die Aufgabe gelöst durch einen Kavitationsreaktor zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierender Kavitationsblasen in einem Fluid, umfassend, einen Strömungskanal bildend und aufeinanderfolgend in Strömungsrichtung des Fluides angeordnet, einen zur Erhöhung einer Strömungsgeschwindigkeit ausgebildeten Beschleunigungsabschnitt, eine quer zur Strömungsrichtung angeordnete Blende mit einer Vielzahl von zur Erzeugung der Kavitationsblasen ausgebildeten Mikrodurchlässen, wobei über eine gesamte, auf einer angeströmten Seite der Blende definierte Strömungsquerschnittsfläche zumindest 10 Mikrodurchlässe pro cm2 ausgebildet sind, einen zur Stabilisierung einer Oszillation der Kavitationsblasen ausgebildeten Stabilisierungsabschnitt, und einen Kollabierungsabschnitt mit zumindest einer Aufweitung einer Strömungsquerschnittsfläche des Strömungskanals in Strömungsrichtung. Die Blende, an welcher die Kavitation entsteht, umfasst somit sehr viele Mikrodurchlässe bzw. Mikrolöcher. Betrachtet man die der Strömung zugewandte Fläche der Blende, so erkennt man hier zumindest 10 dieser Mikrodurchlässe pro cm2. Vorteilhafterweise sind die Mikrodurchlässe gleichmäßig über die komplette angeströmte Fläche verteilt. Vor dem Beschleunigungsabschnitt wird ferner der Druck des Fluides gegenüber einem Normaldruck am Ende des Kavitationsreaktors mittels bevorzugt einer Pumpe erhöht. Im Beschleunigungsabschnitt wird die Geschwindigkeit des Fluidstroms bevorzugt um ein vielfaches erhöht.
Die erfindungsgemäße neuartige Geometrie verbindet in optimaler Weise eine energetisch effiziente und sowohl räumlich als auch zeitlich homogene Generierung an Kavitation und Dampfblasen. Ferner wird das erzeugte Blasenfeld in einem Bereich hoher Strömungsgeschwindigkeit stabil in einem dynamisch oszillierenden Zustand gehalten und gezielt erst sehr spät zu einem finalen Kollaps gezwungen. Somit werden die theoretisch beschriebenen Anforderungen an eine Zellmanipulation bzw. Membranperforierung durch Kavitation in einem sehr hohen Maße erfüllt.
In vorteilhafter Ausgestaltung des Kavitationsreaktors ist vorgesehen, dass sich die Strömungsquerschnittsfläche im Beschleunigungsabschnitt in Strömungsrichtung stetig verengt. Zum Betrieb des Kavitationsreaktors wird somit eine konstant laufende Pumpe vor dem Beschleunigungsabschnitt verwendet. Durch den sich verengenden Strömungsquerschnitt vor der Blende wird dann das Fluid beschleunigt.
Des Weiteren ist es von Vorteil, dass der Beschleunigungsabschnitt einen sich in Strömungsrichtung verengenden, bis zur Blende reichenden, innenliegenden Düsenkonus umfasst, so dass die Strömungsquerschnittsflächen im Beschleunigungsabschnitt und die angeströmte Strömungsquerschnittsfläche der Blende ringförmig ausgebildet sind. Die Blende kann vorteilhaft am Ende dieses Düsenkonus befestigt sein. Dadurch ist eine stabile Lagerung der Blende möglich. Des Weiteren ermöglicht der Düsenkonus eine sehr starke Verengung der Strömungsquerschnittsfläche im Beschleunigungsabschnitt.
Femer ist es bevorzugt, dass der Düsenkonus vor dem Beschleunigungsabschnitt zu einer gegen die Strömungsrichtung zeigenden Spitze zusammenläuft. Durch diese entgegen der Strömungsrichtung zeigenden Spitze wird das anströmende Fluid möglichst turbulenzfrei in Ringform aufgespaltet.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung des Kavitationsreaktors ist vorgesehen, dass der Beschleunigungsabschnitt zur Erzeugung eines Dralls im Fluid schraubenlinienförmige Wandelemente umfasst. Durch solch eine schraubenlinienförmige Strömungsführung wird ein Drall zur besseren Vermischung der Strömungslinien herbeigeführt. Des Weiteren wird beispielsweise bei Beimischung eines Desinfektionsfluides vor der Blende ein Vermischen des Hauptfluides mit dem Desinfektionsfluid verbessert. In weiterer bevorzugter Ausbildung ist vorgesehen, dass die Strömungsquerschnittsfläche über den Beschleunigungsbereich, d.h., vom Anfang des Beschleunigungsbereichs bis zum Anfang der Blende, um 70% bis 99%, insbesondere 80% bis 96%, insbesondere 90% bis 93%, abnimmt. Dadurch ist eine sehr starke Beschleunigung des Fluides gewährleistet, welche zur Erzeugung der Kavitationsblasen vonnöten ist.
Ferner bevorzugt ist es, dass die angeströmte Strömungsquerschnittsfläche der bevorzugt ringförmigen Blende zumindest 26, insbesondere zumindest 50, insbesondere zumindest 100, insbesondere zumindest 150, insbesondere zumindest 200 Mikrodurchlässe aufweist. Je mehr Mikrodurchlässe die Blende aufweist, desto mehr Abrisskanten stehen zur Kavitationsblasenbildung zur Verfügung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Kavitationsreaktors haben die Mikrodurchlässe jeweils eine Durchlassfläche < 3 mm2, insbesondere < 2 mm2, insbesondere zwischen 0,01 mm2 und 1 mm2, insbesondere zwischen 0,1 mm2 und 0,2 mm2. Die Durchlassfläche der Mikrodurchlässe ist bei der Betrachtung senkrecht zur angeströmten Strömungsquerschnittsfläche der Blende zu messen, wobei hier die lichte Durchlassfläche ausschlaggebend ist. Entscheidend ist hier, dass die meisten Mikrodurchlässe den angegebenen Größenordnungen entsprechen. Leichte Abweichungen bzw. vereinzelt größere Mikrodurchlässe stehen der erfindungsgemäßen vorteilhaften Erzeugung der Kavitationsblasen nicht entgegen und sind somit auch als bevorzugte Ausgestaltungen zu sehen oder sogar gezielt gewünscht um verschiedene Größen an Blasen und Blasenfelder homogen zu generieren, sofern eine anzahlmäßig gleichmäßige Verteilung der zuvor beschriebenen Größen an Mikrodurchlässe über die gesamte Blendenebene gewährt ist.
Des Weiteren bevorzugt ist es, dass über die gesamte, auf der angeströmten Seite der Blende definierte Strömungsquerschnittsfläche zumindest 20, insbesondere zumindest 50, insbesondere zumindest 100, insbesondere zumindest 200, insbesondere zumindest 1000, Mikrodurchlässe pro cm2 ausgebildet sind. Je mehr Mikrodurchlässe pro angeströmter Fläche vorhanden sind, desto mehr Abrisskanten stehen zur Kavitationsblasenbildung zur Verfügung. Insbesondere bei einer äußerst großen Anzahl an Abrisskanten fluktuiert die die Blasen- und Kavitationsgenerierung über mehr Mikrodurchlässen und die Blasencluster reißen zu unterschiedlichsten Zeitpunkten ab, so dass ein quasi, räumlich wie zeitlich, stationäres und homogenes Kavitationsblasenfeld entsteht
Ferner bevorzugt ist es, dass die Mikrodurchlässe der Blende rund oder eckig, insbesondere quadratisch oder rautenförmig, ausgebildet sind. Durch die unterschiedliche Ausgestaltung der Mikrodurchlässe kann eine bestimmte Anzahl an Mikrodurchlässen pro Fläche bei gegebener Größe angeordnet werden. Dabei ist es sowohl bevorzugt, innerhalb einer Blende Mikrodurchlässe unterschiedlicher Form vorzusehen, als auch eine Blende mit Mikrodurchlässen ausschließlich in einer Form auszubilden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass 25% bis 65%, insbesondere 35% bis 55%, insbesondere 40% bis 50%, der angeströmten Strömungsquerschnittsfläche der Blende von der lichten Durchlassfläche der Mikrodurchlässe eingenommen wird. Dadurch wird sichergestellt, dass einerseits sehr viele Abrisskanten zur Kavitationsbildung zur Verfügung stehen und andererseits die Blende durch einen großen Anteil an Mikrodurchlässen der Strömung relativ wenig Widerstand entgegensetzt. Dadurch verringert sich die Energieaufnahme des gesamten Systems.
Ferner ist es bevorzugt, dass die Blende als Mikrogitter oder Mikrogewebe ausgebildet ist. Durch die Verwendung eines Mikrogitters oder Mikrogewebes können sehr viele kleine Mikrodurchlässe auf engstem Raum konzentriert werden. Vorteilhafterweise wird dabei für das Mikrogitter oder Mikrogewebe ein Material mit einem Durchmesser von 0,01 mm bis 1 ,0 mm, insbesondere von 0,1 mm bis 0,3 mm, insbesondere von 0,2 mm, verwendet. Die bevorzugten Mikrodurchlässe haben eine Maschenweite von 0,1 mm bis 1 ,7 mm, insbesondere 0,2 mm bis 0,8 mm, insbesondere 0,4 mm. Die Maschenweite ist dabei als die lichte Weite der Masche definiert. Bei quadratischer Ausgestaltung der Mikrodurchlässe ist somit die Maschenweite die lichte Weite zwischen zwei benachbarten parallelen Drähten oder Gewebefäden. Weitere Ausgestaltungen können rautenförmige und gänzlich parallele Ausrichtung der Mikrodurchlässe in der Blendenebene vorsehen. Dabei werden bevorzugt parallele Drähte oder Stäbe verwendet. Besonders bevorzugt wird für das Material des Mikrogitters oder Mikrogewebes ein Metalldraht mit rundem oder eckigem oder dreieckförmigem Querschnitt verwendet. Durch die besondere Ausgestaltung des Drahtquerschnittes kann die Bedingung der Kavitation und insbesondere die Turbulenz und Wirbelbildung und damit das Ablösen der Kavitationsbläschen vom Gitter beeinflusst werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Draht mit einem gleichschenkligen, dreieckförmigen Querschnitt verwendet, wobei der Draht derart im Gitter angeordnet ist, dass die Spitze des Dreiecks sich entgegen der Strömungsrichtung wendet und somit die Strömung entlang der beiden Schenkel aufgespaltet wird.
Alternativ zu der Ausgestaltung der Blende als Mikrogitter oder Mikrogewebe ist es bevorzugt, die Blende als Mikrolochplatte auszubilden, insbesondere bei großen Strömungsquerschnitten kann bevorzugt die stabilere Mikrolochplatte anstatt der Mikrogitter oder des Mikrogewebes verwendet werden. Die Mikrodurchlässe können auch hierbei die oben beschriebenen Eigenschaften aufweisen, in ihrer Form quadratisch, rautenförmig oder rechteckig zu sein bzw. als eindimensionale Spalten ausgebildet sein. Die axiale Ausgestaltung kann dabei auch Vorzugsweise in Form von in Strömungsrichtung spitz zulaufenden Dreiecken gestaltet sein. Die Dicke der Mikrolochplatte soll dabei vorzugsweise das 0,1 -fachen bis 50-fachen eines Durchmessers oder der Kantenlänge eines quadratischen oder rechteckigen Mikrodurchlasses betragen, insbesondere das 0,3-fachen bis 5-fachen, insbesondere das 0,5-fachen bis 2-fache betragen. Alternativ dazu ist es auch möglich, ein Mikrogitter oder ein Mikrogewebe bevorzugt mit einem Gestänge zu verstärken, so dass auch diese Ausgestaltung bei großen Strömungsquerschnitten stabil angewendet werden kann. Als eine weitere bevorzugte Ausgestaltung ist ein poröse Material aufzuführen. So kann anstatt von Mikrolochplatten oder Mikrogittern auch ein poröses Material die Blende bilden. Hierbei sind insbesondere äußerst kleine Mikrodurchlässe auf engstem Raum zu realisieren.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kavitationsreaktors nimmt die Strömungsquerschnittsfläche über den Stabilisierungsabschnitt leicht zu oder ist durchwegs konstant. Dieser nur sehr leichten Änderung des Strömungsquerschnitts bzw. des konstanten Strömungsquerschnitts steht nicht entgegen, dass aufgrund konstruktiver Ausgestaltung kurz nach der Blende eine geringe sprungartige Strömungsquerschnittserweiterung stattfinden kann.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Strömungsquerschnittsfläche zu Beginn des Stabilisierungsabschnitts 100% bis 200%, insbesondere 110% bis 150%, insbesondere 120% bis 130%, der angeströmten Strömungsquerschnittsfläche der bevorzugt ringförmigen Blende entspricht. Die Aufweitung gegenüber der durchströmbaren Fläche der Mikrodurchlässe beträgt dabei vorzugsweise 200% - 1000%, insbesondere 250% - 600%, insbesondere 280% - 300%. Die axiale Länge dieses Stabilisierungsabschnitts beträgt vorzugsweise das 3-fache bis 75-fache, vorzugsweise das 5-fache bis 45-fache, vorzugsweise das 7-fache bis 15-fache des Rohrdurchmessers diesen Abschnitts. Durch diese relativ geringe Aufweitung nach der Blende werden einerseits die Kavitationsblasen stabil oszillierend gehalten, andererseits haben auch die Kavitationsblasen genügend Raum, um sich homogen zu verteilen.
Dem entgegen weitet sich in dem Kollabierungsabschnitt, welcher sich an den Stabilisierungsabschnitt direkt anschließt, die Strömungsquerschnittsfläche auf. Bevorzugt ist es dabei, dass sich die Strömungsquerschnittsfläche im Kollabierungsabschnitt in einer großen Stufe um das 10 - 30 fache der Strömungsfläche des Stabilisierungsabschnitts erweitert und/oder in mehreren kleinen Stufen, vorzugsweise in den Stufen von dem 0,01 -fachen bis 1 -fachen, insbesondere um das 0,1 -fache bis 0,3-fache des Durchmessers des Stabilisierungsabschnitts und/oder mit einem konstanten Öffnungswinkel und/oder mit verschiedenen stetig oder unstetig ineinander übergehenden Öffnungswinkeln aufweitet, vorzugsweise Winkel von 2° - 20°, insbesondere Winkel von 4° - 10°. Insbesondere auch durch das Vorsehen verschiedener Stufen der Aufweitung kann ein definiertes und diskretes Ende der Kavitationsblasen realisiert werden.
Diese Aufweitung des Strömungsquerschnitts bzw. der Strömungsquerschnittsflächen im Kollabierungsabschnitt kann entweder radial symmetrisch oder schraubenförmig erfolgen. Bei der schraubenförmigen Ausgestaltung folgt dann beispielsweise die Kante an einer der Stufen einer schraubenlinienförmigen Mantellinie des Kollabierungsabschnittes.
Des Weiteren ist es bevorzugt, dass der Kavitationsreaktor einen in Strömungsrichtung direkt vor dem Beschleunigungsabschnitt angeordneten Vorlaufabschnitt mit Strömungsgleichrichtern zur Beruhigung des Fluides umfasst. Die bereits beschriebene, in Strömungsrichtung zeigende Spitze des Düsenkonus erstreckt sich dabei in diesen Vorlaufabschnitt hinein.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierender Kavitationsblasen in einem Fluid, umfassend die folgenden Schritte in angegebener Reihenfolge: Beschleunigen des Fluids, Anströmen einer Blende mit einer Vielzahl von M ikrodurch lassen mit dem Fluid zur Erzeugung der Kavitationsblasen, wobei über eine gesamte, auf einer angeströmten Seite der Blende definierte Strömungsquerschnittsfläche zumindest 10 Mikrodurchlässe pro cm2 ausgebildet sind, Stabilisieren einer Oszillation der Kavitationsblasen, und Aufweiten einer Strömungsquerschnittsfläche des Fluids entlang der Strömungsrichtung um die Kavitationsblasen zu kollabieren.
Die vorteilhaften Ausgestaltungen, wie sie im Rahmen des erfindungsgemäßen Kavitationsreaktors diskutiert wurden, finden selbstverständlich auch entsprechende Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierender Kavitationsblasen in einem Fluid.
Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Desinfektion eines Fluids, umfassend das soeben beschriebene Verfahren zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierenden Kavitationsblasen, wobei vor dem Anströmen der Vielzahl von Mikrodurchlässen das Fluid mit Desinfektionsmittel, insbesondere Desinfektionsfluid, versetzt wird. In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass vor dem Versetzen des Fluides mit Desinfektionsmittel und/oder nach dem Aufweiten des Strömungsquerschnitts eine Keimzahl im Fluid bestimmt wird. Dadurch kann insbesondere gemessen werden, ob durch die Kavitation ausreichend Keime abgetötet wurden. Bevorzugt kann entsprechend dieser Messungen der Fluidkreislauf gesteuert werden. So kann bevorzugt die Anpassung der Kavitationsbedingungen bzw. die Menge an Desinfektionsmittel, sowie ein eventuell erforderlicher erneuter Durchlauf des Kavitationsreaktors bzw. ein Durchlaufen eines nachgeschalteten weiteren Kavitationsreaktors geregelt werden.
Die bereits diskutierten vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kavitationsreaktors finden selbstverständlich auch entsprechende Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Desinfektion eines Fluides.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zum Emulgieren oder zum Suspendieren oder zur Reaktionsbegünstigung zumindest zweier Stoffe, insbesondere zweier Flüssigkeiten oder einer Flüssigkeit und eines Feststoffes oder einer Flüssigkeit und eines Gases, umfassend das bereits beschriebene Verfahren zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierender Kavitationsblasen, wobei das Fluid vor dem anströmen der Blende aus den zumindest zwei verschiedenen Stoffen zusammengesetzt wird. Insbesondere wird dem Fluid Ethanol und/oder Wasser und/oder oder eine Hilfsstoff zugesetzt. Durch die Kavitation können kleinste Einheiten der zu vermischenden Flüssigkeiten und/oder Feststoffpartikel durchwirbelt werden, so dass eine Zerkleinerung der Tröpfchen und/oder Feststoffeinheiten entsteht, die zu einer stabile Emulsion oder Suspension führen. Des Weiteren erhöht sich durch die Kavitation die Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten, so dass diese optimal miteinander reagieren können, bzw. der Stofftransport über die Phasengrenze begünstigt wird.
Die bereits beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Kavitationsreaktors finden selbstverständlich auch entsprechende Anwendung auf das Verfahren zum Emulgieren oder zur Reaktionsbegünstigung von diffusionslimitierten oder katalytischen Reaktionen die durch eine hohe Durchmischung und Turbulenz positiv beeinflusst werden. Des weiteren zur Beeinflussung von biologischen Materialien, insbesondere biologischen Zellen und deren Zellhüllen sowie Membranen.
Die Idee der energetisch effektiven Erzeugung von zeitlich und auch räumlich homogenen Kavitationsblasenfeldern sowie die optimale technische Umsetzung bilden den Kern dieser Erfindung. Die Verwendung hydrodynamisch generierter Blasenoszillationen zur Zellperforierung ist somit nicht zuletzt durch den neuartigen Ansatz der Strömungsführung und der Kombination von hydrodynamischen Eigenschaften mit bewusst eingesetzten technischen Elementen möglich. Die Übertragung des Grundlagenwissens aus der medizinischen Ultraschallforschung, um die biologische Wirkung oszillierender Blasen, hinein in die Zellmanipulation mittels hydrodynamischer Kavitation, bedurfte einiger neuartiger konzeptioneller Ansätze. Da zum einen die Generierung von homogenen Blasenfeldern nicht wie in der Ultraschallforschung durch gezielte Zugabe von Mikrobläschen erfolgen kann, und zum anderen die Verweilzeit und Intensität nicht durch die Amplitude und Frequenz eines Ultraschall-Strahlers gesteuert werden kann. Diese Eigenschaften werden aber erfindungsgemäß durch gezielte Kombination von physikalischen und strömungstechnischen Konzepten zu einer technisch realisierbaren Lösung gebracht.
Praktisch angewendet werden kann der zellperforierende Effekt von oszillierenden Kavitationsblasen vorteilhafterweise in der Kombination mit Desinfektionsmitteln. Die meisten Desinfektionsmittel können die Membran der Zelle nicht oder nur mit hohem Diffusionsdruck bzw. hoher Konzentration passieren. Die Wirkung ist somit auf die Oberfläche beschränkt, obwohl der beste Wirkort in der Bakterienzelle wäre, z.B. an der DNA oder RNA oder intrazellulären Enzymen und Enzymkomplexen, und dort schneller zur letalen Inaktivierung führen würde. Insbesondere von Vorteil ist eine Kombination von Chlordioxid mit oszillierender Kavitation. Hier erfolgt eine Steigerung der Inaktivierung, da durch die transiente Perforierung der Zellmembran das Chlordioxid besser und schneller an den Wirkort in der Zelle diffundieren kann. Bevorzugt wird vor der Druckerhöhung das Desinfektionsmittel aus einer Vorlage mittels Dosierpumpe in den Hauptstrom, in angepasster Menge, dosiert. In der Pumpe entsteht hierbei schon eine ideale Vormischung des Desinfektionsmittels. Nach der Druckerhöhung wird der Kavitationsreaktor durchlaufen und anschließend noch eine entsprechende Verweilzeit, die zur gewünschten Inaktivierung führt, gewährt.
Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zur hydrodynamisch generierten kurzfristigen Zell- und Membranmanipulierung, umfassend das Verfahren zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierender Kavitationsblasen, in der Art der transienten Membranperforierung zur Steigerung der Permeabilität für alle Stoffe die sonst keine oder nur geringe Permeabilität aufweisen würden. Die bereits diskutierten vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahren zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierender Kavitationsblasen finden selbstverständlich auch entsprechende Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren zur hydrodynamisch generierten kurzfristigen Zell- und Membranmanipulierung.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels in der begleitenden Zeichnung genauer erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Kavitationsreaktor gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Fig.2 eine Detailansicht, inkl. Schnittansicht des Kavitationsreaktors gemäß dem
Ausführungsbeispiel,
Fig.3 einen Vergleich zwischen dem Kavitationsreaktor gemäß
Ausführungsbeispiel, und anderen Möglichkeiten der
Kavitationserzeugung,
Fig.4 die Kavitationszahl über dem Volumenstrom im Kavitationsreaktor gemäß dem Ausführungsbeispiel,
Fig.5 eine schematische Darstellung der Zellperforierung mit Hilfe des
Kavitationsreaktors gemäß dem Ausführungsbeispiel,
Fig.6 ein Verfahren zur Desinfektion eines Fluides unter Verwendung des
Kavitationsreaktors gemäß dem Ausführungsbeispiel, und
Fig.7 ein Diagramm zur Darstellung der Effizienz der Desinfektion mit dem
Kavitationsreaktor gemäß dem Ausführungsbeispiel.
Fig.1 zeigt einen Kavitationsreaktor 1 gemäß Ausführungsbeispiel. Die Anwendung bezieht sich auf wässrige Lösungen die gezielt mit Bakterien angeimpft worden sind. Die Dimensionierung des Reaktors erfolgte dabei für einen Pilot-Labormaßstab. Die behandelbaren Volumenströme variieren dabei von 0,3 L s"1 - 0,5 L s'1 bei Druckverlusten von 2,5 bar bis 10 bar. Das System ist offen gestaltet und unterliegt somit noch dem atmosphärischen Druck. Die Temperatur der wässrigen Lösung war dabei 200C. Der Rohrquerschnitt vor und nach dem Kavitationsreaktor beträgt dabei 20 mm. Sowohl der Reaktor als auch der Vor- und Nachlauf sind aus hydraulisch glattem Edlestahl (V4A, Oberflächenrauhigkeit < 2 μm) gefertigt. Der Kavitationsreaktor 1 in Fig.1 umfasst dabei, in einer Strömungsrichtung 4 angeordnet, einen Beschleunigungsabschnitt 5, eine zur Strömungsrichtung 4 senkrechte Blende 6, einen Stabilisierungsabschnitt 7 und einen Kollabierungsabschnitt 8. Der Beschleunigungsabschnitt 5, die Blende 6, der Stabilisierungsabschnitt 7 und der Kollabierungsabschnitt 8 schließen direkt aneinander an und bilden einen Strömungskanal 3. In diesem Strömungskanal 3 fließt das Fluid vom Beschleunigungsabschnitt 5 zum Kollabierungsabschnitt 8. Dabei werden an der Blende 6 Kavitationsbläschen 2 erzeugt. Die Kavitationsbläschen 2 sind äußerst klein und können dadurch in Fig.1 lediglich schematisch dargestellt werden.
Der Beschleunigungsabschnitt 5 umfasst einen Düsenkonus 9. Dieser Düsenkonus 9 dient zur weiteren Verengung des Strömungsquerschnitts entlang der Strömungsrichtung 4 und ist rotationssymmetrisch zu einer Mittenachse 10 des Strömungskanals 3 angeordnet. Der Düsenkonus 9 endet direkt mit Beginn der Blende 6. Dadurch ist es möglich, dass die Blende 6 mit einer Schraube 19 (Fig.2) auf das stirnseitige Ende des Düsenkonus 9 aufgeschraubt werden kann. Mit seinem Außenumfang stützt sich die Blende 6 an einem Gitteranschlag 18 (Fig.2).
Der Kollabierungsabschnitt 8 umfasst zunächst vier kleinere aufeinanderfolgende Stufen 20 und daraufhin vier größere aufeinanderfolgende Stufen 21 zur Querschnittserweiterung. Das Ende des Kollabierungsabschnitts 8 ist als Flansch 22 ausgebildet.
Die Fig.2 zeigt einen Ausschnitt des Kavitationsreaktors 1 gemäß Ausführungsbeispiel sowie einen Schnitt A-A. In der Schnittdarstellung ist gut zu sehen, dass die Blende 6, ausgebildet als Mikrogitter, in der Mitte am Düsenkonus 9 aufliegt und verschraubt ist. Eine äußere, umlaufende Kante der Blende 6 liegt auf dem Gitteranschlag 18 auf. Dadurch entsteht zwischen dem Gitteranschlag 18 und dem Düsenkonus 9 eine angeströmte Strömungsquerschnittsfläche der Blende 6 in Ringform.
In den Fig.1 und 2 sind ferner die folgenden Durchmesser verzeichnet: Ein erster Durchmesser 11 zeigt einen Anfangsdurchmesser des Düsenkonus 9 zum Beginn des Beschleunigungsabschnitts 5. Ein zweiter Durchmesser 12 zeigt ebenfalls am Anfang des Beschleunigungsabschnittes 5 den maximalen Innendurchmesser des Beschleunigungsabschnittes 5. Dieser zweite Durchmesser 12 verengt sich entlang der Strömungsrichtung 4 bis zum Ende des Beschleunigungsabschnittes 5 zu einem dritten Durchmesser 13. Der erste Durchmesser 11 verengt sich entlang der Strömungsrichtung 4 bis zum Ende des Düsenkonus 9 bzw. bis zum Ende des Beschleunigungsabschnittes 5 bis zum vierten Durchmesser 14. Die Differenz zwischen dem dritten Durchmesser 13 und dem vierten Durchmesser 14 definiert eine Ringfläche. Diese Ringfläche wiederum ist die angeströmte Strömungsquerschnittsfläche der Blende 6. Ferner zeigt der Schnitt in Fig.2 einen Gesamtdurchmesser 15 der eingesetzten Blende 6. Da jedoch die Blende 6 sowohl am Gitteranschlag 18 als auch am Düsenkonus 9 aufliegt, kann nur ein Teil der Mikrodurchlässe 23 zur angeströmten Strömungsquerschnittsfläche der Blende 6 gezählt werden und auch nur dieser Teil der Mikrodurchlässe 23 dient der Kavitationsblasenbildung.
Mit einem im Wesentlichen konstanten sechsten Durchmesser 16 ist der Stabilisierungsabschnitt 7 ausgebildet. Dieser sechste Durchmesser 16 steigt sodann sprungweise entlang des Kollabierungsabschnitts 8 bis zum siebten Durchmesser 17 am Ende des Kollabierungsabschnitts 8 an.
Die in den Fig. 1 und 2 vorgestellte Geometrie bewirkt, im Gegensatz zu allen anderen bekannten Apparaturen und Geometrien, die bereits beschriebene vorteilhafte Generierung der homogenen, oszillierenden Kavitation z.B. zur Membranporierung bzw. Zellmanipulation.
Nach einer Beschleunigung der Strömung in der sich sanft verengenden Düse mit wenig Druckverlust durch Staupunkte, erfolgt bei hoher Strömungsgeschwindigkeit die Passage eines kleinen Ringspaltes an der Blende 6, ausgebildet als Mikro-Gitter, über den ganzen Querschnitt. Die feine Struktur dieses Gitters verursacht nun homogen über den ganzen Ringspalt verteilt feine Kavitationsblasen 2 und Blasen- Cluster. Da die Generierung einzelner Blase an vielen verschiedenen feinen Gitterpunkten stattfindet, kommt es weder zu einem periodischen Ablösen der gesamten Strömung noch zu einer zeitlich inhomogen Kavitationsgenerierung. Vielmehr kommt es zur fluktuativen Bildung von Blasenschwärmen über dem gesamten Gitterbereich, die sich in der Nachlaufstrecke bzw. im Stabilisierungsabschnitt 7 auch zu einer zeitlich homogenen Verteilung vermischen. Dieser Stabilisierungsabschnitt 7 ist zunächst als Rohrstück mit weiterhin konstant engem Querschnitt ausgestaltet, um die Strömungsgeschwindigkeit weiterhin hoch genug zu halten. Somit ist der statische Druck weiterhin niedrig genug, um die oszillierenden Kavitationsblasen 2 stabil zu halten. Die Kavitationsblasen 2 haben somit eine längere Verweilzeit in der Apparatur und können auch mehrere hundert Oszillationen durchlaufen. Der Auslauf bzw. der Kollabierungsabschnitt 8 gestaltet sich in einer langsamen Querschnittserweiterung, in der der statische Druck wieder ansteigt und die Kavitationsblasen 2 final zu einem Kollaps gezwungen werden. Abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit fällt dieser Bereich auch auf immer größer werdende Querschnittsbereiche bzw. verlängert sich der Bereich der Blasenoszillation. In diesem Kollabierungsabschnitt 8 werden die typischen Druckwellen freigesetzt, wie sie aus der herkömmlichen Kavitationserzeugung bekannt sind. Damit werden zusätzlich noch mal kurzfristig hohe Energien und Scherbeanspruchungen bereitgestellt.
In bevorzugter Erweiterung des Kavitationsreaktors 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass in Strömungsrichtung 4 vor dem Beschleunigungsabschnitt 5 ein Vorlauf vorgesehen ist. In diesem Vorlauf befinden sich die Auftrennung und die Beruhigung des Volumenstroms auf den Ringspalt mittels einer Spitze und/oder mittels Strömungsgleichrichtern. Bevorzugt geschieht dies bei einem Durchmesser von ca. 20 mm über eine Länge von 75 mm.
Der erste Durchmesser 11 beträgt im Ausführungsbeispiel 10 mm, der zweite Durchmesser 12 beträgt 20 mm, der dritte Durchmesser 13 liegt bei 6,4 mm und der vierte Durchmesser 14 bei 4 mm. Der Beschleunigungsabschnitt 5 erstreckt sich dabei über eine Länge von 75 mm.
Die verwendete Maschenweite des Mikrogitters der Blende 6 beträgt im Ausführungsbeispiel 0,4 mm bei einer Drahtstärke von 0,2 mm. Daraus ergibt sich eine freie Gitterfläche von 44%. Zur ausreichenden Stabilisierung der Blasenoszillation beträgt der sechste Durchmesser 16 5,6 mm und der Stabilisierungsabschnitt 7 erstreckt sich über 40 mm. Die vier kleinen Stufen 20 des Kollabierungsabschnitts 8 erhöhen den Querschnitt alle 5 mm in Stufen von 0,2 mm. Die großen Stufen 21 erhöhen den Querschnitt alle 10 mm in Stufen von 1 mm.
In Ergänzung zu der dargestellten Variante des Kavitationsreaktors 1 kann an den Flansch 22 am Ende des Kollabierungsabschnitts 8 bevorzugt ein Auslauf mit einem anfänglichen Durchmesser von 10 mm und einer Erweiterung auf 20 mm vorgesehen werden.
Des Weiteren kann bevorzugt insbesondere der Querschnittsanstieg im Kollabierungsabschnitt 8 schraubenförmig ausgestaltet sein, so dass ein sehr sanfter Druckanstieg realisiert wird und somit in axialer Richtung eine gestreckte Kollapszone entsteht.
Trotz des komplexen Aufbaus dieses neuartigen Kavitationsreaktors 1 besticht er durch eine sehr effiziente Art der Energieumsetzung in Kavitation und lange stabile Blasenfelder. Im passenden Betriebspunkt benötigt er eine Druckdifferenz von nur 3,0 - 3,5 bar.
In Fig.3 wird die energetische Effizienz des erfindungsgemäßen Kavitationsreaktors mit anderen Typen an Kavitationsgeneratoren in ähnlicher Dimensionierung, bzgl. Volumenstrom und freier Querschnittsfläche, verglichen. Fig.3 zeigt dabei eine Auftragung der erreichbaren Kavitationszahl Cv über der zu erbringenden hydraulischen Leistung in kWh pro m3 behandeltem Wasser. Damit lassen sich die Effizienzen von Kavitationsapparaturen auch für verschiedene Volumenströme gut vergleichen, da in dieser Auftragung der Druckverlust und der Volumenstrom gekoppelt sind und die Effizienz direkt an der erreichbaren Kavitationszahl ablesbar wird. Die hydraulische Leistung entspricht hier dem Produkt aus Volumenstrom und Druckverlust. Je niedrigere Cv-Werte mit möglichst niedrigem Energieeintrag erreichbar sind, desto besser ist die Umsetzung der Energie in die Kavitation, d.h. je weiter links unten in Fig. 3 die entsprechende Kurve verläuft, desto effektiver ist zugehörige Kavitationserzeugung.
Die erste Kurve 24 zeigt die Messung am erfindungsgemäßen Kavitationsreaktor 1 gemäß Ausführungsbeispiel. Die zweite Kurve 25 zeigt eine Kavitation mit zu Vergleichszwecken entworfener 12-fach-Lochblende, wobei je Loch ein Durchmesser von 1 ,0 mm vorgesehen ist und sich eine freie Durchflussfläche von 9,5 mm2 ergibt. Eine dritte Kurve 26 zeigt Messergebnisse einer Lochblende mit nur einem Loch und Durchmesser 3,3 mm und damit freier Durchflussfläche von 8,6 mm2. Eine vierte Kurve 27 zeigt Messergebnisse an einer herkömmlichen Venturidüse, bei verwendetem Durchmesser 3,3 mm und einer Länge von 100 mm. Bei der Kavitationszahl von 0,2 ist ein Betriebspunkt 28 des Kavitationsreaktors 1 gemäß Ausführungsbeispiel eingezeichnet.
Der Vergleich zeigt dass der erfindungsgemäße Kavitationsreaktor 1 im Betriebspunkt 28 (Cv ~ 0,2) eine deutlich höhere Effizienz in der Kavitationsausbeute aufweist als eine Lochblende mit großen und wenigen Löchern oder eine einfache Venturidüse. Nur bei sehr hohen Volumenströmen und Energieeinträgen werden ähnliche Wirkungsgrade erreicht. Die beschriebenen Vorteile von homogenen, oszillierenden Blasenfeldern werden aber lediglich von der erfindungsgemäßen Variante ereicht.
Das Diagramm in Fig. 4 zeigt eine Messung am Kavitationsreaktor 1 gemäß Ausführungsbeispiel und stellt dabei die Kavitationszahl Cv über dem Volumenstrom in Ls"1 dar. Eine fünfte Kurve 29 zeigt druckkorrigierte Werte der Kavitationszahl Cv an der Blende 6. Eine sechste Kurve 30 zeigt den Verlauf der Kavitationszahl über dem Volumenstrom im Kavitationsreaktor 1 am Ende des Stabilisierungsabschnitts 7 bei dem Durchmesser 6 von 5,6 mm.
Die höhere Effizienz im Betriebspunkt 28 begründet sich in der besonderen Eigenschaft der homogenen Blasengenerierung in der Gitterebene. Wie mit Fig. 4 dargestellt wird, liegt der Betriebspunkt 28 bei einem Volumenstrom von ca. 0,32 L/s bei vollständiger Kavitationsausbildung im Stabilisierungsabschnitt 7. In diesem Betriebspunkt 28 würde eine normale Venturidüse mit einem Durchmesser von 5,6 mm (ähnlich dem sechsten Durchmesser 16) noch nicht kavitieren. Der Cv-Wert läge noch zu hoch bei ca. 1 ,3 und die Kavitation setzt nicht ein.
Im Betrieb des erfindungsgemäßen Kavitationsreaktors 1 zeigt sich unter Verwendung verschiedener Volumenströme, dass ab ca. 0,2 L/s eine Kavitation ab der Blende 6 einsetzt. Steigert man den Volumenstrom auf einen Wert von 0,315 L/s erweitert sich die Kavitation schlagartig aus der Gitterebene hinaus bis weit in den Stabilisierungsabschnitt 7, obwohl dies theoretisch bei einer Kavitationszahl von ca. 1 ,4 für diesen Bereich noch nicht möglich wäre. Erst ab den ersten Erweiterungen des Kollabierungsabschnitts 8 werden die Blasen 2 zu einem Kollaps gezwungen. Bis dahin erstreckt sich ein homogenes Feld aus oszillierenden Kavitationsblasen 2, welches sogar unter nicht-kavitativen Bedingung aufrechterhalten wird. Steigert man den Volumenstrom weiter, so erstreckt sich die Kavitationszone immer weiter in den sich öffnenden Konus. Der Blasenkollaps geschieht dann z.B. erst im Bereich des 7,0 oder 8,0 mm Querschnitts.
Praktisch angewendet werden kann der zeilperforierende Effekt von oszillierenden Kavitationsblasen 2 in der Kombination mit Desinfektionsmitteln. Die meisten Desinfektionsmittel können die Membran der Zelle nicht oder nur mit hohem Diffusionsdruck bzw. hoher Konzentration passieren. Die Wirkung ist somit auf die Oberfläche der Zelle beschränkt, obwohl der beste Wirkort in der Bakterienzelle, z.B. an der DNA oder RNA bzw. intrazellulären Enzymen und Enzymkomplexen, wäre und dort schneller zur letalen Inaktivierung führen würde.
Fig.5 zeigt eine schematische Darstellung der Zellperforierung mittels hydrodynamischer Kavitation. Hierbei ist eine Zellmembran 32 dargestellt. Außerhalb der entsprechenden Zelle befindet sich der Außenraum 31. Innerhalb der Zelle befindet sich der Innenraum 33. Des Weiteren ist im rechten Bereich der Fig.5 eine oszillierende Blase 34 mit minimalem und gestrichelt dargestelltem maximalen Durchmesser dargestellt. Durch Oszillieren der Blase 34 wird die Zellmembran 32 zumindest temporär geöffnet, so dass Wirkstoff in den Innenraum 33 eindringen kann oder vom Innenraum 33 in den Außenraum 31 ausströmen kann. Am Beispiel von Chlordioxid konnte dies am Lehrstuhl für Bioverfahrenstechnik der TU-München im Versuch mit Escherichia coli auch bestätigt werden. Die Fig. 5 veranschaulicht den Mechanismus, der der Steigerung der Inaktivierungs-Effizienz zu Grunde liegt. Durch Kombination von Chlordioxid mit oszillierender Kavitation ist somit eine Steigerung der Inaktivierung zu beobachten, da durch die transiente Perforierung der Zellmembran 32 das Chlordioxid besser und schneller an den Wirkort in der Zelle diffundieren kann.
Fig.6 zeigt einen schematischen Verfahrensablauf zur Desinfektion eines Fluides mittels des Kavitationsreaktors 1 gemäß Ausführungsbeispiel. Dabei ist entlang der Strömungsrichtung 4 zunächst eine erste Probenentnahme 35 zur Keimzahlbestimmung und daraufhin eine Druckerhöhungsvorrichtung 36 vorgesehen. Nach dieser Druckerhöhungsvorrichtung 36, ausgebildet als Pumpe, schließt sich der Kavitationsreaktor 1 an. Nach dem Kavitationsreaktor 1 ist eine Halte/Einwirkzeit 37 vorgesehen. Zuletzt erfolgt eine zweite Probenentnahme 38 zur Keimzahlbestimmung nach der Kavitation. Zwischen der ersten Probenentnahme 35 und der Druckerhöhung 36 wird mittels einer Dosierpumpe 40 Chlordioxid als Desinfektionsmittel 39 aus einem Vorratsbehälter in den Hauptfluidstrom eingeleitet.
Der prinzipielle Prozessverlauf ist in Fig. 6 dargestellt. Vor der Druckerhöhung wird das Desinfektionsmittel 39 aus einer Vorlage mittels der Dosierpumpe 40 in den Hauptstrom, in angepasster Menge, dosiert. In der Dosierpumpe 40 entsteht hierbei schon eine ideale Vormischung des Desinfektionsmittels 39. Nach der Druckerhöhung 36 wird der Kavitationsreaktor 1 durchlaufen und anschließend noch die entsprechende Halte/Einwirkzeit 37, die zur gewünschten Inaktivierung führt, gewährt.
Fig.7 zeigt ein Diagramm mit der Keimzahl in koloniebildende Einheiten ml'1 über der Zeit in Minuten zur Darstellung der effizienten Desinfektionsmethode gemäß Fig.6. Die gestrichelte Linie 41 in Fig.7 zeigt eine spezifische Inaktivierungsrate gemäß Standardinaktivierung für E. coli bei 0,3 mg L"1 Chlordioxid. Die vier Messpunkte 42 hingegen zeigen die Messergebnisse bei Anwendung des Verfahrens gemäß Fig.6. Mit den Ergebnissen gemäß Fig. 7 kann gezeigt werden, dass nach der Passage durch den Kavitationsreaktor 1 eine höhere Inaktivierung erzielbar ist als in der alleinigen Behandlung mit Chlordioxid 39. Es wurden die Postinkubationen, also die zeitliche Inaktivierung nach Passage des Kavitationsreaktors 1 (Cv = 0,2 bei 0,32 L s" 1) mit der Inaktivierungsrate 41 von 0,85 min"1 (Laut Literatur die Konzentrations-Zeit- Spezifische Inaktivierung für 99% Abtötung bei 2O0C für E. coli und Chlordioxid von 0,70 min*mg L"1) unter Berücksichtigung gleicher Reaktionsbedingungen verglichen. Es zeigt sich, dass bei der Kombination von Chlordioxid 39 mit Kavitation die Inaktivierungsrate erheblich gesteigert ist und die 2,3-fache Inaktivierung von 2,0 pro Minute erreicht wird, bzw. mit weniger als der halben Konzentration an Chlordioxid 39 derselbe Effekt erreichbar ist (Gemessene Konzentrations-Zeit-Spezifische Inaktivierung für 99% Abtötung ist 0,30 min*mg L'1).
Mit der Kombination von Chlordioxid 39 und dem erfindungsgemäßen Kavitationsreaktor 1 lassen sich über 50 % an Chlordioxid 39 einsparen. Die dafür einzusetzenden Energiekosten (ca. 0,015 €/m"3 Prozesswasser) und Investitionskosten sind gering gegenüber den ersparten Chemikalienkosten. Durch Optimierung der Prozessbedingungen und Prozessführung kann die Einsatzmenge an Chlordioxid 39 weiter gesenkt werden. Damit eröffnet sich auch ein großes Einsatzspektrum für viele weitere Bereiche der Entkeimung von Prozesswässern, die bis jetzt noch zu hohe oder unerwünschte Mengen an Desinfektionsmitteln benötigten. Ökologisch gesehen ergeben sich nicht nur für Chlordioxid 39 sondern generell in Kombination mit auch anderen Desinfektionsmitteln einige ökologische Vorteile. Hervorzuheben ist z.B. eine geringere Belastung der Umwelt, sowohl bei der Herstellung der Chemikalien als auch bei der Belastung während und nach der Anwendung. Die chemische Belastung des Prozesswassers reduziert sich um die Hälfte, so dass viel weniger Nebenreaktionen mit schädlicher Produktbildung ablaufen. Für viele Desinfektionsmittel vereinfacht sich ferner die Handhabung und Bevorratung.

Claims

Patentansprüche
1. Kavitationsreaktor (1) zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierender Kavitationsblasen (2) in einem Fluid, umfassend, einen Strömungskanal (3) bildend und aufeinanderfolgend in Strömungsrichtung (4) des Fluides angeordnet,
einen zur Erhöhung einer Strömungsgeschwindigkeit ausgebildeten
Beschleunigungsabschnitt (5),
eine quer zur Strömungsrichtung (4) angeordnete Blende (6) mit einer
Vielzahl von zur Erzeugung der Kavitationsblasen ausgebildeten
Mikrodurchlässen (23), wobei über eine gesamte, auf einer angeströmten
Seite der Blende (6) definierte Strömungsquerschnittsfläche zumindest 10
Mikrodurchlässe (23) pro cm2 ausgebildet sind,
einen zur Stabilisierung einer Oszillation der Kavitationsblasen (2) ausgebildeten Stabilisierungsabschnitt (7), und
einen Kollabierungsabschnitt (8) mit zumindest einer Aufweitung einer
Strömungsquerschnittsfläche des Strömungskanals (3) in
Strömungsrichtung (4).
2. Kavitationsreaktor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strömungsquerschnittsfläche im Beschleunigungsabschnitt (5) in Strömungsrichtung (4) stetig verengt.
3. Kavitationsreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsabschnitt (5) einen sich in Strömungsrichtung (4) verengenden, bis zur Blende (6) reichenden, innen liegenden Düsenkonus (9) umfasst, so dass die Strömungsquerschnittsfläche im Beschleunigungsabschnitt (5) und die angeströmte Strömungsquerschnittsfläche der Blende (6) ringförmig ausgebildet sind.
4. Kavitationsreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkonus (9) vor dem Beschleunigungsabschnitt (5) zu einer gegen die Strömungsrichtung (4) zeigenden Spitze zusammen läuft.
5. Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungsabschnitt (5) zur Erzeugung eines Dralls im Fluid schraubenlinienförmige Wandelemente umfasst.
6. Kavitationsreaktor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsquerschnittsfläche über den Beschleunigungsabschnitt (5) um 70% bis 99%, insbesondere um 80% bis 96%, insbesondere um 90% bis 93% abnimmt.
7. Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die angeströmte Strömungsquerschnittsfläche (5) der Blende (6) zumindest 26, insbesondere zumindest 50, insbesondere zumindest 100, insbesondere zumindest 150, insbesondere zumindest 200 Mikrodurchlässe (23) aufweist.
8. Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrodurchlässe (23) jeweils eine Durchlassfläche kleiner 3 mm2, insbesondere kleiner 2 mm2, insbesondere zwischen 0,01 mm2 und 1 mm2, insbesondere zwischen 0,1 mm2 und 0,2 mm2 aufweisen.
9. Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die gesamte, auf der angeströmten Seite der Blende (6) definierte Strömungsquerschnittsfläche zumindest 20, insbesondere zumindest 50, insbesondere zumindest 100, insbesondere zumindest 1000 Mikrodurchlässe (23) pro cm2 ausgebildet sind.
10. Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrodurchlässe (23) der Blende (6) rund oder rechteckig, bis hin zu eindimensional parallelen Schlitzen, insbesondere quadratisch oder rautenförmig, ausgebildet sind.
11. Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 25% bis 65%, insbesondere 35% bis 55%, insbesondere 40% bis 50% der angeströmten Strömungsquerschnittsfläche der Blende (6) von den Mikrodurchlässen (23) eingenommen wird.
12. Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (6) als Mikrogitter oder Mikrogewebe ausgebildet ist.
13. Kavitationsreaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material des Mikrogitters oder Mikrogewebes einen Durchmesser von 0,01mm bis 1 ,0mm, insbesondere von 0,1mm bis 0,3mm, insbesondere 0,2mm aufweist, und die Mikrodurchlässe mit einer Maschenweite von 0,1mm bis 1 ,7mm, insbesondere 0,3mm bis 0,8mm, insbesondere 0,4mm ausgebildet sind.
14. Kavitationsreaktor nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Mikrogitters oder Mikrogewebes als Draht mit rundem oder eckigem oder dreiecksförmigem Querschnitt ausgebildet ist.
15. Kavitationsreaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (6) als Mikrolochplatte ausgebildet ist.
16. Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsquerschnittsfläche über den Stabilisierungsabschnitt (7) konstant ist oder leicht stetig in Strömungsrichtung (4) zunimmt.
17. Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsquerschnittsfläche zu Beginn des Stabilisierungsabschnitts (7) 100% bis 200%, insbesondere 110% bis 150%, insbesondere 120% bis 130% der angeströmten Strömungsquerschnittsfläche der Blende (6) entspricht.
18. Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsquerschnittsfläche zu Beginn des Stabilisierungsabschnitts (7) 200% bis 1000%, insbesondere 250% bis 600%, insbesondere 280% bis 300% einer durchströmbaren Fläche aller Mikrodurchlässe (23) entspricht.
19. Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge des Stabilisierungsabschnitts (7) dem 3 bis 75-fachen, insbesondere dem 5 bis 35-fachen, insbesondere dem 7 - 15fachen eines Strömungsdurchmessers (16) im Stabilisierungsabschnitt (7) entspricht.
20. Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Strömungsquerschnittsfläche im Kollabierungsabschnitt (8) in einer großen Stufe (21) und/oder in mehreren kleinen Stufen (20) und/oder mit einem konstanten Öffnungswinkel und/oder mit verschiedenen stetig oder unstetig ineinander übergehenden Öffnungswinkeln aufweitet.
21. Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitung der Strömungsquerschnittsfläche im Kollabierungsabschnitt (8) radialsymmetrisch oder schraubenförmig ausgebildet ist.
22. Kavitationsreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen in Strömungsrichtung (4) direkt vor dem Beschleunigungsabschnitt (5) angeordneten Vorlaufabschnitt mit Strömungsgleichrichtern zur Beruhigung des Fluids.
23. Verfahren zur hydrodynamischen Erzeugung homogener, oszillierender Kavitationsblasen (2) in einem Fluid, umfassend die folgenden Schritte in angegebener Reihenfolge:
Beschleunigen des Fluids, Anströmen einer Blende (6) mit einer Vielzahl von Mikrodurchlässen (23) mit dem Fluid zur Erzeugung der Kavitationsblasen (2), wobei über eine gesamte, auf einer angeströmten Seite der Blende (6) definierte
Strömungsquerschnittsfläche zumindest 10 Mikrodurchlässe (23) pro cm2 ausgebildet sind,
Stabilisieren einer Oszillation der Kavitationsblasen (2), und
Aufweiten einer Strömungsquerschnittsfläche des Fluids entlang der
Strömungsrichtung (4) um die Kavitationsblasen (2) zu kollabieren.
24. Verfahren zur Desinfektion eines Fluids, umfassend ein Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei vor dem Anströmen der Vielzahl von Mikrodurchlässen (23) das Fluid mit Desinfektionmittel (39) versetzt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Versetzen des Fluides mit Desinfektionsmittel (39) und/oder nach dem Aufweiten des Strömungsquerschnitts eine Keimzahl im Fluid bestimmt wird.
26. Verfahren zum Emulgieren oder zum Suspendieren oder zur Reaktionsbegünstigung zumindest zweier Stoffe, insbesondere zweier Flüssigkeiten oder einer Flüssigkeit und eines Feststoffes oder einer Flüssigkeit und eines Gases, umfassend ein Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei das Fluid vor dem anströmen der Blende (6) aus den zumindest zwei verschiedenen Stoffen zusammengesetzt wird.
27. Verfahren zur hydrodynamisch generierten kurzfristigen Zell- und Membranmanipulierung, umfassend ein Verfahren gemäß Anspruch 23, in der Art der transienten Membranperforierung zur Steigerung der Permeabilität für alle Stoffe die sonst keine oder nur geringe Permeabilität aufweisen würden.
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