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Die Erfindung betrifft Einrichtungen zum Aufschluss von lignozellulosehaltigen Substraten für eine Anlage zur Biogasgewinnung.
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Die Erzeugung von Biogas aus organischen Stoffen einschließlich entsprechender Anlagen sind bekannt. Die organischen Stoffe werden anaerob mikrobiell abgebaut. Dazu wird gut abbaubare Biomasse wie Gülle, Energiepflanzen (vor allem Mais-, Getreide- und Grassilage), landwirtschaftliche Nebenprodukte oder Bioabfälle verwendet.
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Hauptprodukte sind dabei Methan und Kohlendioxid, die einer Verbrennung mit nachfolgender Energieumwandlung zugeführt werden.
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Stroh und Holz, die vor allem Cellulose und Lignocellulose enthalten, sind unter anaeroben Bedingungen nur schwer oder nicht abbaubar. Deshalb werden diese häufig als Humusbildner wieder eingepflügt oder anderweitig verbracht. Bekannt ist aber auch, dass die Zersetzung dieser Biomasse zum Beispiel auf dem Feld Nährstoffe zehrt und diese den angebauten Kulturen entzieht. Das führt entweder zu nicht unerheblichen Ernteverlusten oder zu zusätzlichen Nährstoffgaben.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, lignozellulosehaltige Substrate zur Biogasgewinnung aufzuschließen.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Einrichtungen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass lignozellulosehaltige Substrate zur Biogasgewinnung aufschließ- und damit nutzbar sind.
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Dazu weist die Einrichtung einen mit einer Zufuhreinrichtung versehenen Aufschwimmbehälter für lignozellulosehaltigen Substrate auf, wobei diese Substrate dem unteren Bereich des Aufschwimmbehälters zugeführt werden. Weiterhin besitzt die Einrichtung eine Transporteinrichtung für aufgeschwommenes Substrat des Aufschwimmbehälters. An die Transporteinrichtung ist ein Zerkleinerer mit einer Entwässerungseinrichtung für aufgeschwommenes Substrat gekoppelt, wobei die Entwässerungseinrichtung mit dem Aufschwimmbehälter gekoppelt ist, so dass dem Aufschwimmbehälter Rezirkulat zuführbar ist. Lignozellulosehaltige Substrate fallen in großen Erntemengen beispielsweise als Stroh, Spreu, Mist und Landschaftspflegematerial als Reststoffe an. Lignocellulose stellt dabei die als Strukturgerüst dienende Zellwand verholzter Pflanzen dar. Die Substrate werden dem Aufschwimmbehälter vorzerkleinert und dosiert über die Zufuhreinrichtung zugeführt.
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Im Aufschwimmbehälter wird das Aufstromverhalten des Substrates genutzt, wobei das Substrat weitestgehend aufschwimmt. Dabei erweicht und hydrolysiert das aufschwimmende Substrat. Das aufgeschwommene Substrat sammelt und verdichtet sich als Biomasse im oberen Bereich des Aufschwimmbehälters, wobei das Substrat dabei einen Pfropfen bildet. Dabei quillt das Substrat durch Einlagerung von Wasser in die Zellwand und den Zellkern weiter.
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Dabei erfolgt vorteilhafterweise eine weitestgehende Trennung von schweren Störstoffen wie beispielsweise Sand, Steine, Hühnergrit und Metallkörpern.
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Dieses verdichtete und aufgequollene Substrat wird über die Transporteinrichtung dem Zerkleinerer zugeführt. Der Zerkleinerer ist beispielsweise ein bekannter Bioextruder oder eine Mühle. Dabei wird das Substrat aufgeschlossen, aufgefasert und aktiviert. Durch diesen hydrothermalen Effekt wird die Oberfläche des Substrats wesentlich vergrößert. Gleichzeitig erfolgt eine Beschädigung und Aufspaltung der Lignocellulose, so dass die Cellulose für Mikroorganismen und/oder Enzyme leichter angreifbar wird. Diese erreichte, weiche und aufgeschlossene Faser ist eine ideale Siedlungsfläche für die methanbildenden Bakterien. Das Substrat bietet durch die Freilegung der inkrustierten Zellulose mit seinem fünf- und sechsfach Zucker die ideale Futtergrundlage. Durch den partiell hohen Druck beispielsweise in den ineinanderlaufenden Schnecken des Bioextruders oder dem Mahlwerk der Mühle oder einem Hammerwerk und plötzlichen Entspannungsprozessen werden Stärke und andere Kohlenwasserstoffe umgebildet und stehen einer nachfolgenden Fermentierung zur Verfügung.
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Günstigerweise ist der Zerkleinerer an den Aufschwimmbehälter gekoppelt, so dass Gärrest aus dem Zerkleinerer dem Aufschwimmbehälter zuführbar ist, so dass die Viskosität der wässrigen Lösung erhöht wird. Gleichzeitig wird die Zugabe von Frischwasser minimiert. Die Kopplung kann dabei über eine Leitung mit einer Fördereinrichtung erfolgen, so dass eine gesteuerte Menge an Rezirkulat dem Aufschwimmbehälter zuführbar ist.
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Dem Aufschwimmbehälter können neben Rezirkulat auch Säuren oder Basen zugeführt werden, so dass die Lignocellulose weiter aufgespaltet wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 13 angegeben.
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Der Aufschwimmbehälter ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 mit
- – einer Fördereinrichtung für Luft verbunden,
- – einer ultraschallerzeugenden Einrichtung gekoppelt,
- – einem Rührwerk versehen und/oder
- – einem Krählwerk versehen.
Damit werden das Aufschwimmverhalten des Substrats, die Sedimentation von Störstoffen und/oder die Lösung von Störstoffen vom Substrat verbessert.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ist der Aufschwimmbehälter mit einer Heizeinrichtung für das Fluid mit Substrat im Aufschwimmbehälter versehen und/oder ist eine Heizeinrichtung für Rezirkulat an einer Zuleitung und/oder einem Behälter angeordnet. Bei Temperaturen größer 70°C erfolgt eine verbesserte sowohl Hygenisierung als auch Zelluloseerweichung und Lösung von Inhaltsstoffen mit beginnender Oberflächenveränderung (Verschleimung).
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Die Zufuhreinrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 ein Schneckenförderer für Substrat. Der Schneckenförderer fördert das Substrat aus einem Dosierer in den unteren Bereich des Aufschwimmbehälters. Gleichzeitig ist dieser vorteilhafterweise ein Förderer für im unteren Bereich sich anlagernde Störstoffe des Substrats, wobei die Förderrichtung durch Drehrichtungsumkehr der Schnecke auch Störstoffe aus dem Aufschwimmbehälter transportieren kann.
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Der Schneckenförderer ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 ein ummantelter Schneckenförderer, der sich im Wesentlichen außer- oder innerhalb des Aufschwimmbehälters befindet. Substrat kann dabei vorteilhafterweise einfach in den unteren Bereich des Aufschwimmbehälters eingebracht werden. Verläuft die Transportrichtung entlang der Wand des Aufschwimmbehälters und überragt der Schneckenförderer den Aufschwimmbehälter, so dass die Zufuhr oberhalb des Aufschwimmbehälters erfolgt keine besonderen Maßnahmen hinsichtlich einer Abdichtung notwendig sind.
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Günstigerweise ist der Zerkleinerer nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 ein Bioextruder, eine Mühle, ein Hammerwerk oder eine Einrichtung für einen Prallaufschluss. Als vorteilhaft hat sich der Bioextruder als selbstreinigende kontinuierliche Aufschlusseinrichtung erwiesen.
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Der Bioextruder ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 ein Doppelschneckenscheibenextruder, wobei das Gehäuse aus beabstandet zueinander angeordneten Scheiben in einem diese Scheiben umgebenden Mantel besteht. Windungen der Schnecken greifen dabei ineinander. Die Steigung der Windungen kann dabei gleich oder unterschiedlich sein. Bereiche mit Windungen können von solchen ohne Windung unterbrochen sein.
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Die Scheiben lassen sich leicht durch Schneiden von Blech herstellen. Dabei kann das Blech auch aus hoch verschleißfestem Stahl bestehen, so dass eine lange Lebensdauer des Extruders gewährleistet ist. Die Scheiben werden durch Bolzen in den Eckbereichen fixiert. Der Abstand der Scheiben wird durch Abstandsstücke zwischen den Scheiben gewährleistet. Durch die beabstandet angeordneten Scheiben wird vorteilhafterweise eine Entwässerung des Substrats erleichtert. Das Fluid kann dabei einfach durch die Abstände auslaufen. Über den Boden ist das Fluid einfach aus dem Extruder abführbar. Die Scheiben besitzen weiterhin den Vorteil, dass die damit vorhandenen Kanten gleichzeitig als Schnittkanten für Substrat wirken, so dass ein verbesserter Aufschluss des Substrates erreicht wird. Die Zerkleinerung und damit die Auffaserung wird wesentlich verbessert und der Energiebedarf wesentlich gesenkt.
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Vor dem Zerkleinerer ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 eine Zufuhrvorrichtung für aufzuschließende Stoffe angeordnet, so dass dem aufgeschwommenen Substrat weitere aufzuschließende Stoffe zuführbar sind. Das kann insbesondere auch weiteres Biomaterial sein, so dass auch dieses mit dem Substrat aufgeschlossen wird. Die Einrichtung kann damit universell eingesetzt werden. Einschränkungen auf bestimmte Substrate sind nicht gegeben. Das Biomaterial kann das C/N-Verhältnis verbessern und wird insbesondere im Bioextruder mit dem Ausgangssubstrat gemischt und homogenisiert.
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Der Aufschwimmbehälter ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 über eine Fördereinrichtung mit der Zufuhreinrichtung verbunden, so dass nicht aufgeschwommenes und zur Sedimentierung neigendes Substrat aus dem Aufschwimmbehälters über die Zufuhreinrichtung dem Zerkleinerer oder dem Fermenter zuführbar ist.
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Dem Zerkleinerer ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 eine Zufuhreinrichtung für Enzyme für zerkleinertes und entwässertes aufgeschwommenes Substrat nachgeordnet. Damit beginnt die Umsetzung des Substrats.
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Dem Zerkleinerer ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 11 ein Fermenter oder entweder sowohl mindestens ein weiterer Zerkleinerer als auch ein Fermenter für zerkleinertes und entwässertes aufgeschwommenes Substrat als Bestandteil einer Anlage zur Biogasgewinnung nachgeordnet. Der Fermenter ist damit ein Fermenter für zerkleinertes und entwässertes aufgeschwommenes Substrat als Bestandteil einer Anlage zur Biogasgewinnung.
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Der Fermenter ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 12 mit dem Aufschwimmbehälter gekoppelt, so dass eine bestimmte Menge fermentierten und Enzyme aufweisenden Stoffes als Rezirkulat in den Aufschwimmbehälter gelangt. Dazu kann der Fermenter über eine Leitung mit einer Fördereinrichtung mit dem Aufschwimmbehälter verbunden sein. Damit kann dem Aufschwimmbehälter Gärfluid zugeführt werden, so dass eine enzymatische Reaktion bereits im Aufschwimmbehälter erfolgen kann. Insgesamt wird der Aufschluss des Substrates verbessert und die Menge an Methan erhöht.
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Im Zusammenhang mit dem Zerkleinerer kann auch ein weitestgehend ein geschlossener Kreislauf mit dem Aufschwimmbehälter, dem Zerkleinerer und dem Fermenter einschließlich der Kopplungen erreicht werden.
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Zwischen dem Zerkleinerer und dem Fermenter ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 13 ein Pfropfenströmer als Bestandteil der Anlage zur Biogasgewinnung angeordnet. Das Substrat wird weiter aufgeschlossen und gleichzeitig beginnt die Umsetzung des Substrats.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Einrichtung zum Aufschluss von lignozellulosehaltigen Substraten für eine Anlage zur Biogasgewinnung und
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2 einen Doppelschneckenscheibenextruder in einer Seitenansicht,
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3 einen Doppelschneckenscheibenextruder in einer Vorderansicht und
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4 eine Ummantelung mit Scheiben für eine Doppelschnecke.
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Eine Einrichtung zum Aufschluss von lignozellulosehaltigen Substraten für eine Anlage zur Biogasgewinnung besteht im Wesentlichen aus einem Aufschwimmbehälter 1, einer Zufuhreinrichtung 2 für Substrat, einer Transporteinrichtung 3 für aufgeschwommenes Substrat und einem Bioextruder 4 als Zerkleinerer.
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Die 1 zeigt eine Einrichtung zum Aufschluss von lignozellulosehaltigen Substraten für eine Anlage zur Biogasgewinnung in einer prinzipiellen Darstellung.
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Der Aufschwimmbehälter 1 besitzt die Zufuhreinrichtung 2 für Substrat, welches kleingehäckselt zum Boden des Aufschwimmbehälters 1 zugeführt wird. Dazu ist die Zufuhreinrichtung 2 ein Schneckenförderer 2, so dass zum Bodenbereich gezielt Substrat transportiert wird. Gleichzeitig kann über diesen eine bestimmte Menge an Substrat in den Aufschwimmbehälter 1 eingebracht werden.
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Im Aufschwimmbehälter 1 befindet sich Wasser, welches mit Rezirkulat aus dem Bioextruder 4 und/oder Fermenter 7 als Gärmedium angereichert ist. Für eine weitere Aufspaltung der Lignocellulose können auch Säuren oder Basen zugeführt werden. In diesem Medium schwimmt das Substrat auf. Störstoffe des Substrats wie Sand, Hühnergrit, Steine oder Metallkörper verbleiben dabei am Boden des Aufschwimmbehälters 1. Der Schneckenförderer 2 ist dazu ein ummantelter Schneckenförderer 2, der sich bereichsweise am Aufschwimmbehälter 1 befindet. Substrat wird am Aufschwimmbehälter 1 zu dessen unteren Bereich befördert und gleichzeitig in diesen eingebracht. Durch Änderung der Förderrichtung der Schnecke der Zufuhreinrichtung 2 werden Störstoffe mit dieser aus dem Aufschwimmbehälter 1 ausgetragen. Das Substrat schwimmt und quellt auf sowie verdichtet sich im Deckbereich des Aufschwimmbehälters 1. Ein Bereich des Deckbereichs ist vorteilhafterweise gleichzeitig ein Teil der Transporteinrichtung 3 für aufgeschwommenes Substrat. Das ist günstigerweise ein Schneckenförderer 3. An diesem ist der Bioextruder 4 gekoppelt, so dass das aufgeschwommene Substrat über den Bioextruder 4 weiter aufschließbar ist. Die Funktion des Schneckenförderers kann auch der Bioextruder 4 wahrnehmen. Der Bioextruder 4 ist ein Doppelschneckenscheibenextruder 4. Das Gehäuse der Doppelschnecken 8 sind dabei beabstandet zueinander angeordnete Scheiben 9, die sich in einem Mantel 10 befinden.
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Die 2 zeigt einen Doppelschneckenscheibenextruder 4 in einer prinzipiellen Seitenansicht.
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Die 3 zeigt einen Doppelschneckenscheibenextruder 4 in einer prinzipiellen Vorderansicht.
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Die Scheiben 9 sind dazu rechteckförmige Scheiben 9, die einen Durchbruch für die Doppelschnecke 8 aufweisen. Wenigstens in den Eckbereichen befinden sich Bohrungen für Bolzen, die die Scheiben 9 fixieren. Zwischen den Scheiben 9 befinden sich ringförmige Abstandsstücke 11. Die Scheiben 9 sind vorteilhafterweise aus einem Blech ausgeschnitten und bestehen günstigerweise aus einem verschleißfesten Stahl. Zum Ausschneiden wird dabei das Laserschweißen angewandt, so dass diese ökonomisch günstig herstellbar sind. Im Verbund als Bioextruder 4 und in Verbindung mit den Schnecken 8 wird damit auch ein ökonomisch günstiger Doppelschneckenscheibenextruder 4 bereitgestellt. Dieser kann leicht an die gewünschten Bedingungen und Anforderungen angepasst werden. Die Schnecken 8 sind in bekannterweise mit Schneckenwindungen verschiedener Steigungen und/oder Schneidkanten bereichsweise versehen, so dass das Substrat komprimiert wird und sich auch schlagartig entspannen kann, so dass ein optimaler Aufschluss gegeben ist. Die beabstandet zueinander angeordneten Scheiben 9 führen vorteilhafterweise dazu, dass darüber Fluid des Substrats einfach abführbar ist. Gleichzeitig wirken die Kanten der Scheiben 9 als Schneidkanten, so dass Substrat weiter aufgeschlossen wird. Dafür ist der Boden 12 des Mantels als Kanal 12 ausgebildet oder mit einem Kanal 12 versehen. In diesem kann sich eine Transportvorrichtung beispielsweise in Form einer Schnecke befinden.
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Die 4 zeigt eine weitere Ummantelung aus Scheiben für eine Doppelschnecke in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die Scheiben 9 können Rahmen für die Schnecken 8 darstellen, so dass ein optimaler Materialeinsatz zur Realisierung der Ummantelung gegeben ist (Darstellung in der 4)
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Ausgetragenes Fluid aus dem Bioextruder 4 ist dem Aufschwimmbehälter 1 über eine damit verbundene Leitung 5 zuführbar. Dazu ist eine Pumpe als Fördereinrichtung angeordnet, so dass dem Aufschwimmbehälter 1 gesteuert Fluid einbringbar ist. Vor dem Bioextruder 4 ist eine Zufuhrvorrichtung 6 für aufzuschließende Stoffe angeordnet, so dass dem aufgeschwommenen Substrat weitere aufzuschließende Stoffe zuführbar sind. Das können weitere Biostoffe zur Gewinnung von Biogas sein. Die Zufuhrvorrichtung 6 ist beispielsweise als Schneckenförderer 6 ausgeführt, so dass gezielt Biostoffe eingebracht werden können. Dabei kann die Einrichtung das Substrat und/oder die Biostoffe bearbeiten, so dass ein universeller Einsatz der Einrichtung gegeben ist. Dem Bioextruder 4 ist ein bekannter Fermenter 7 für zerkleinertes und entwässertes sowie aufgeschwommenes Substrat als Bestandteil einer Anlage zur Biogasgewinnung nachgeordnet. Der Aufschwimmbehälter 1 kann mit dem Fermenter 7 gekoppelt sein, so dass eine bestimmte Menge fermentierten und Enzyme aufweisenden Stoffes als Rezirkulat in den Aufschwimmbehälter 1 gelangt. Dazu wird eine Pumpe als bekannte Fördereinrichtung eingesetzt, so dass eine gesteuerte Menge in den Aufschwimmbehälter 1 gelangen kann.
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In einer Ausführungsform ist dem Bioextruder 4 als Zerkleinerer 4 eine Zufuhreinrichtung für Enzyme für zerkleinertes und entwässertes aufgeschwommenes Substrat nachgeordnet.
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Zwischen dem Bioextruder 4 und dem Fermenter 7 ist in einer weiteren Ausführungsform ein Pfropfenströmer als Bestandteil der Anlage zur Biogasgewinnung angeordnet. Zum weiteren Aufschluss von Substrat kann sich nach dem Bioextruder ein weiterer Extruder oder weitere Extruder befinden. Diese werden durch die Ausgestaltung der Schnecken bestimmt, wobei eine Druckerhöhung im Substrat und/oder ein Gegenstrom für das Substrat erfolgt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist an den Aufschwimmbehälter 1 mit
- – einer Fördereinrichtung für Luft verbunden,
- – einer ultraschallerzeugenden Einrichtung 13 gekoppelt,
- – einem Rührwerk versehen und/oder
- – ein Krählwerk versehen.
Durch das Einperlen von Luft wird das Aufschwimmverhalten des Substrats durch Luftblasen verbessert.
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Die ultraschallerzeugende Einrichtung weist Piezoelemente auf. Das Rührwerk ist im einfachsten Fall ein Rührer im Aufschwimmbehälter 1. Dafür kann unter anderem ein bekannter Propeller-, Schrägblatt-, Scheiben-, Wendel- oder Mehrstufenrührer eingesetzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Aufschwimmbehälter 1 über eine Fördereinrichtung mit der Zufuhreinrichtung 6 verbunden, so dass nicht aufgeschwommenes Substrat aus dem Aufschwimmbehälters 1 über die Zufuhreinrichtung 6 dem Zerkleinerer 4 zuführbar ist (Darstellung in der 1). Die Fördereinrichtung kann dazu mehrere Förderschnecken aufweisen, ist eine Saugvorrichtung oder ist eine Kombination dieser Mittel.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Aufschwimmbehälter 1 mit einer Heizeinrichtung für das Fluid mit dem Substrat im Aufschwimmbehälter 1 versehen und/oder ist eine Heizeinrichtung für Rezirkulat an einer Zuleitung 5 und/oder einem Behälter und/oder dem Aufschwimmbehälter 1 angeordnet oder vorgeschaltet.
