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Verfahren und Vorrichtung zum Rühren von und zur Erzeugung einer
Zirkulation in Flüssigkeitsmengen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
Rühren von und zur Erzeugung einer Zirkulation in Flüssigkeitsmengen durch Einblasen
von Gas in bestimmten Bereichen, wobei das Gas in die Flüssigkeitsmenge im Bereich
der Unterseite am Außenumfang der Masse mit gleichmäßiger Verteilung um den Umfang
eingeblasen und das gebildete Flüssigkeits-Gas-Gemisch in einem aufsteigenden, im
oberen Teil der Flüssigkeitsmasse nach der Mitte zu auslaufenden Ringspalt am Umfang
der Flüssigkeitsmasse geführt wird.
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Die eingeblasenen Gase können gegebenenfalls mit der zu rührenden
Flüssigkeit reagieren, wobei die Flüssigkeit als Gemisch, Suspension, Emulsion oder
Lösung evtl. gasförmige, flüssige oder unlösliche Produkte enthalten kann, die gegebenenfalls
untereinander oder mit der Flüssigkeit reagieren können.
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Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur
Durchführung
dieses Verfahrens, bestehend aus einem lotrechten, im wesentlichen einen runden
Grundriß aufweisenden Behälter, in welchem eine bis nahe an den Behälterboden reichende
zylinderförmige Wand koaxial angeordnet und in dessen Bodenbereich eine Luftzuführung
vorgesehen ist, wobei die zylinderförmige Wand sich etwa bis in halbe Höhe des Behälters
erstreckt und mit der Wand des Behälters einen Ringraum bildet.
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Ein Verfahren zum Rühren von Flüssigkeiten durch Einblasen von Luft
derart, daß eine Zirkulation im Behälter in radialen durch die Mittelachse verlaufenden
Ebenen in Gang gesetzt wird, ist allein oder in Verbindung mit Rührwerke bekannt.
Dabei wird das eingeblasene Gas als Agitator für die rein mechanische Ingangsetzung
der Zirkulation oder auch in Verbindung mit einer Beeinflussung von Anteilen der
MischRlüssigkeit z. B. bei Fermentierungsprozessen, wie das Widereinblasen unter
Druck von Kohlensäure bei alkoholischer Gärung, verwendet.
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Bei der bekannten Einricntung ist in der Mitte des etwa kreisförmigen
Behälters ein Steigrohr ang eordnet, welches bis nahezu in den Boden der Flüssigkeit
eintaucht und im Bereich dessen offener Unterseite Gas eingeblasen wird. Dadurch
wir im Inneren des zentral liegenden Rohres die Flüssigkeit nach oben gefördert,
strömt am oberen Ende des Rohres über und zirkuliert im Behälter nach unten zurück.
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Da die von den Gasbläschen mitgerissene Flüssigkeitsmenge sehr weitgehend
von der Breite des zur Verfügung stehenden Steigkanals abhängt, ist bei der bekannten
Einrichtung die Zirkulation sehr begrenzt, d. h. das Steigrohr darf einen bestimmten
Durchmesser nicht überschreiten, da dann die Zirkulation nach oben ungenügend wird.
Eine Verbreiterung des Rohres ohne Verminderung des Wirkungsgrades durch entsprechende
Verteilung mehrerer Reihen von Gasaustrittsöffnungen über den Querschnitt ist zwar
an sich möglich, führt jedocn zu relativ komplizierten und auSwendigen Konstruktionen.
Bei dieser bekannten Anordnung ist also die Zirkulation sehr weitgehend vom Behälterdurchmesser
abhångig, d,h. je größer der Behälterdurchmesser wird, desto geringer wird die Zirkulation,
damit Vergröherung des Durchmessers die durch die Luft im Rohr nach aben geförderte
Flüssigkeitsmenge nicht proportional angepaßt werden kann.
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Außerdem muß infolge des im Verhältnis zum gesamten Behälter querschnittsrelativ
geringen Querschnitt des Rohres die Aufwärtsbewegung im Rqhr sehr schnell erfolgen,
um einen ausreichenden Rühreffekt zu erzielen. Dies kann bei empfindlichen Flüssigkeiten,
z.B. bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Belüften von Mikroorganismen
enthaltenden Flüssigkeiten zu Beeinträchtigungen führen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung
der genannten Art zu schaffen, wodurch die Wirkung bzw. die Zirkulation bei gleichem
betrieblichen und konstruktivem Aufwand wesentlich wirkungsvoller als bei bekannten
Verfahren ist, bzw. bei gleicher Rührwirkung wie bei diesen bekannten Verfahren
eine wesentlich schonendere Behandlung der Flüssigkeit möglich ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die
Zirkulation am Außenumfang mit großer Geschwindigkeit von unten nach oben und im
mittleren Teil mit geringer Geschwindigkeit von oben nach unten in Gang gesetzt
wird, wobei die Geschwindigkeit am Außenumfang mindestens viermal so groß wie die
Geschwindigkeit im mittleren Teil ist. Vorzugsweise wird dabei das Gas mit einer
Geschwindigkeit zwischen etwa 10 und 25 m/sec eingeblasen. Vorteilhafte Ausbildungen
des Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 3 und 4.
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Die erwähnte Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch
gelöst, daß das Verhältnis der Querschnittsfläche des Ringraums des Behälters zur
Querschnittsfläche des Behälters zwischen 1:5 und 1:12 liegt und der untere Rand
der Zylinderwand zur Waagerechten hin eingezogen ist. Vorteilhafte Weiterbildungen
dieser Vorrichtung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 6 bis 10.
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Es ist selbstverständlich, daß im Rahmen der Erfindung Jede
andere
bekannte Rührart mit dem Rührverfahren nach der Erfindung verbunden werden kann,
obwohl dies im allgemeinen überflüssig ist. Ein zusätzlicher Vorteil des Verfahrens
nach der Erfindung liegt darin, daß bei einem Freiwerden oder Absorbieren von Kalorien
durch die Reaktion die Temperatur in dem Behälter viel leichter aufrecht erhalten
werden kann, da sich die ganze Oberfläche, die außen in an sich bekannter Weise
mit einer Erwgrmungs- oder Kühlflüssigkeit in Kontakt ist, innen in Kontakt mit
der flüssigen Masse befindet, die durch das Rühren nach dem Verfahren der Erfindung
eine große Auftriebsgeschwindigkeit und große Turbulenz zeit Nach der Erfindung
erfolgt also die Zirkulation im Gegensatz zu der bekannten Einrichtung von außen
nach innen und der wkreisspaltförmige Agitationsraum vergrößert sich zwangsläufig
mit dem Behälterdurchmesser, ohne daß seine Breite vergrößert werden muß und damit
die Agitationswirkung der Luft vermindert oder komplizierte Luft zuführungen notwendig
sind.
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Bei Verwendung der Vorrichtung für kontinuierlichen Betrieb weist
der Behälter vorzugsweise eine Entnahmeleitung im Bereich des Bodens und eine Vorrichtung
zum Nachfüllen auf, die in den Ringraum oberhalb der Gasaustrittsstelle mündet.
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Die zylinderförmige Wand im Behälter kann in mehrere in Abstand liegende
Segmentabschnitte geteilt sein, deren vertikale Längsseiten
mittels
vertikaler Wände abgeschlossen und an der Außenwand des Behälters befestigt sind,
wobei die Vorrichtungen zum Einblasen der Luft und Einfüllen der Flüssigkeit in
Abschnitte unterteilt in Jedes Segment des Ringraumes führen.
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Die zylinderförmige Wand im Behälter kann auch an ihrem oberen Rand
nach innen und nach oben abgebogen sein. Die Mitte des Behälterbodens kann konusförmig
hochgezogen sein, und die Zuleitungen für Gas und Flüssigkeit in den Ringraum können
so profiliege sein daß der durch die eingeblasene Luft inganggesetzten Zirkulation
ein geringst möglicher Widerstand entgeg/engesetzt und Wirbelbildung weitgehend
vermieden wird.
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Uln eine Behandlung mit mehreren Gasen durchzuführen bzw. um eine
beschleunigte Zirkulation der Flüssigkeit ingangausetzen, können eine oder mehrere
Zuleitungen für Sekundärgas oberhalb der Leitung für das Primärgas vorgesehen sein.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich besonders zum Kombinieren
mit gleichen Apparaten oder anderen Behältern, da eine sehr günstige kontinuierliche
Durchmischung bei einfachster Anpassung an die für die Durchmischung für die durchlaufende
FlUssigkeit zur Verfügung stehende Verweilzeit möglich ist.
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Einzelne Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sollen
im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben werden, wobei
die
Beispiele nur beschreibenden, nicht aber einschränkenden Charakter haben. Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen senkrechten Schnltt durch einen erfindungsgemäßen Behälter;
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1; Fig. 3 einen schematischen
senkrechten Schnitt durch eine Variante des Behälters; Fig, 4 einen Schnitt entlang
der Linie IV-IV in Fig. 3; Fig. 5 und 6 Je einen senkrechten Teilschnitt im vergrößerten
Maßstab von Behältern nach Fig. 1 und 3; Fig. 7 einen Teil des Vertikalschnittes
einer Variante des Behärters in vergrößertem Maßstab, und Fig. 8 und 9 einen schematischen
Horizontalschnitt durch eine Anordnung mit mehreren Behältern.
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Die folgende Beschreibung dient nur als Beispiel und schränkt die
Erfindung nicht ein. Es handelt sich um eine Anwendung der Vorrichtung naoh der
Erfindung auf dem Gebiet der aeroben Entwicklung von Mikroorganismen.
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Gemäß Fig. 1 besteht die Vorrichtung aus einem Behälter 4, der das
zu behandelnde Gut enthält. Nahe dem Boden 2 des Behälters mündet eine Leitung 1
für die Luftzufuhr. Koaxial zum Behälter ist in dessem Inneren eine zylinderförmige
Wand 3 mit einem kreisförmigen oder polygonalen Querschnitt vorgesehen. Der untere
Rand 16 der Wand 3 ist zur Waagrechten hin eingezogen. Der obere Rand 19 der Zylinderwand
3 kann nach innen und nach oben gebogen sein (Fig.2 und 7). Die Wand 3 schafft einen
Ringraum 8, in dem die mit Luftblasen vermischte Flüssigkeit nach oben steigt.
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Die Wand 3 ist mit der zylindrischen Außenwand des Behälters verbunden.
Beispielsweise ist sie an Blechen oder dünnen Blechelementen 43 aufgehängt, die
die Widerstandsfähigkeit und die Festigkeit des Behälters erhöhen. Diese Bleche
sind vertikal angeordnet. Einige davon sind in Fig. 2 dargestellt.
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Das Behandlungsgut bewegt sich in Richtung der Pfeile f 2 und f 3
an der Behälterwandung nach oben und in der be!iälterrnitte b Bewegung gemäß dem
Pfeil f 4 nach unten. Diese Kann durch eine kegelstumpfförmige Einscilnürung des
oberen landes 5 des Behälters gefördert werden.
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Um Wirbelbildungen und Stauungen möglichst zu vermeiden, ist das Mittelstück
des Bodens 2 des Behälters 4 nicht plan, sondern konisch 14 mit vertikaler Achse
und nach unten erweitert; seine Spitze kann wie auch seine Basis abgerundet sein
(Fig. 3>.
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Zum Füllen des Behälters mit dem Behandlungsgut ist ein Rohr 17 mit
einer Ringleitung 18 mit auf dem ganzen Umfang des Behälters verteilten Auslässen
vorgesehen. Die Ringleitung 18 ist unmittelbar oberhalb der ringförmigen Luftzufuhrleitung
20 angebracht.
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Die Entleerungsstelle für den Behälterinhalt kann am Boden des Behälters
(Fig. 1) oder in nächster Nähe des Bodens (Fig. 2) z.B. bei 7 vorgesehen sein. Man
kann auch mehrere Entnahme stellen vorsehen.
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Die Vorrichtunegnzum einblasen der Luft können ganz verschieden sein,
sofern nur die Luft gleichmäßig ringsum die Wand 3 verteilt wird.
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Beispielsweise ist die ringförmige Luftzufuhrleitung 20 in vergrößertem
Maßstab in Fig. 5 dargestellt, und zwar am Boden des Behälters und am Fußpunkt seiner
Seitenwand angeordnet. Das Profil 9 des Bleches, das den mit Luft gefüllten Ringraum
20 von der emulgierten Flüssigkeit trennt, ist dafür vorgesehen, um Verluste, die
die Emulsion beim Einströmen in den Raum 8 erleidet, mögleicht zu vermeiden. Das
Blech 9 ist in seine unteren Pfeil mit öffnungen 21 (Fig. 5) versehen, durch welche
die Luft (gestrichelte Pfeile) in die Emulsion mit einer Geschwindigkeit zwischen
10 und 25 m/sec eintritt. Diese öffnungen können rechteckige Fenster oder Spalten
sein, die mit kalibrierten Anschlagplatten versehen sind und steif oder elastisch
ausgebildet sind. Diese öffnungen können einen oder mehrere Quadratzentimeter haben,
aber
sie dürfen nicht hoch sein. Die Länge des vollen Abstandes
zwischen den Öffnungen kann Je nach der gewählten Form bis zu mehreren Zentimetern
schwanken. Ausschlaggebend ist, daß die Öffnungen immer die gleiche 4enge Luft auf
jeden Meter des Umfangs des Behälters durchtreten lassen möglichst sogar auf jeden
halben Meter.
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Luft kann außerdem auch im oberen Bereich des Ringraumes 8 in die
Flüssigkeit eingeblasen werden. Die Luft tritt gemäß dem Pfeil r 5 bei 1 a in den
Raum 8 ein. Sie muß ebenfalls sehr gleichmäßig verteilt werden. Eine horizontale
Belüftungskrone kann außen am Behälter angebracht werden (Fig. 6). Han kann auch
ringförmige Röhren mit Austrittsbohrungen vorsehen, die horizontal im Ringraum 8
angebracht sind.
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Die Beschickung des Behälters, erfolge sie nun kontinuierlich oder
nicht, kann vorgenommen werden, nachdem ggf. mehrere Bestandteile 11, 12 und 13
in einem Mischer 10, der mit dem Behälter verbunden ist, gemischt worden sind. Bestimmte
andere Bestandteile, z.B. solche zur Einstellung des pH-Wertes, können unmittelbar
in den Behälter eingefüllt werden, ohne daß die Erfindung darauf ausgedehit\t7ird.
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Wenn der am Behälter anhängende Mischer auch nicht ausschlaggebend
für das gute Funktionieren der beanspruchten Vorrichtung ist, so bietet er doch
eine vorteilhafte Hilfe, indem er es ermöglicht,
bei der Füllung,
die reich an Nährstoffen ist, einen Teil des Schaumes hinzuzufügen und zu mischen,
der reich an ist Mikroorganismen, die in 23 im Behälter nach oben geschwemmt waren;
außerdem kann man im genannten Mischer die Mikroorganismen, die aus einer anderen
Apparatur stammen, nochmals durchlaufen lassen.
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Dieser Mischer, der beispielsweise in Fig. 7 angedeutet ist, kann
in einem oder in mehreren Exemplaren verwendet werden, Je nach den Dimensionen des
Behälters oder den örtlichen Gegebenheiten oder aus anderen Gründen.
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Eine Leitung 24 kann den oberen Teil des Mischers 10 mit dem oberen
Teil des Behälters 4 verbinden, um im Behälter den über schuß des Schaumes zu entfernen.
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Der Behälter kann mit einem Deckel mit einem Gasauslaß verschlossen
werden. Aber die Erfahrung hat'gezeigt, daß man in den meisten Fällen den Deckel
weglassen kann, oder daß man statt dessen einen kegelstumpfförmigen Teil 5 als Abschluß
nehmen kann, den man erhält, wenn man den oberen Ring des Behältermantels ganz oder
teilweise nach innen biegt.
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Eine weitere Variante des Behälters, die im folgenden beschrieben
wird (Fig. 3 und 4), kann angewandt werden. Man kann den Abstand zwischen der Seitenwand
des Behälters 4 und der zylinderförmigen
Wand 3 vergrößern, sei
es aus Konstruktionsgründen oder um Verluste an Inhalt zu verringern oder aus sonstigen
Gründen.
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Damit der Querschnitt des Ringraumes 8 nicht noch größer wird, teilt
man den Ringraum durch senkrechte Querwände 28 bis 33 in mehrere meist gleich große
Ringsegmente wie 25 bis 27, und zwar eines vom anderen getrennt und in den meisten
Fällen zwei bis vier Segmente. Zwei oder mehr vertikale Abteilungen 34 bis 36 sntstehen
so zwischen den oben beschriebenen Segmenten, in die man weder Luft einbläst noch
Flüssigkeit zuführt. Das Volumen dieser Abteilungen macht also einen Teil des Volumens
6 aus, in welchen die Emulsionsmasse eine im allgemeinen nach unten gehende Bewegung
annimmt.
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Fig. 4 zeigt schematisch im Schnitt einen solchen Behälter zur Herstellung
von Hefe. Der Behälter hat 9,40 m Durchmesser und 14 m Höhe. Sein konisches Abschlußelement
hat 1 m Höhe. Der Boden ist bis auf den Mittelkonus 14 eben. Es sind, wie in den
meisten Fällen, drei gleich große Ringraumsegmente 25 bis 27 vorgesehen, die Jeweils
um 350 des Umfangswinkels in Abstand stehen, so daß sie 21,70 m der Gesamtumfangslänge
der Behälterwand einnehmen. Die hier rund dargestellte Wand 3 ist in Wirklichkeit
polygonal und aus 15 ebenen Platten zusammengesetzt.
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Ihre Höhe beträgt 5,50 m bei einem lichten Abstand vom Boden von 390
mm. Die Horizontalschnittfläche Jedes Ringraumsegmentes beträgt 3,70 m2. Der ; ittelkonus
14 hat an der Basis 2 m Durchmesser und ist 1 m hoch.
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Man bläst 10.000 m3/Std. Luft ein, die durch die drei Leitungen 1
in der Richtung der Pfeilefl in den Behälter eintreten, Die Zufuhr von Luft und
Flüssigkeit erfolgt, wie oben beschrieben, über einen Mischer 10, dessen Abfluß
in drei gleichen Strdmen geteilt durch drei Röhren in die drei zylindrischen Ringelemente
2:5 bis 27 erfolgt.
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Die Griffe, Temperaturmeßstellen, pH-Prüfstellen, Probeentnahmen,
Mannlöcher, Beobachtungsstellen usw, sind an der Behälterwand zwischen den Segmenten
vorgesehen.
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Die Erfindung ermöglicht auch die Zusa mmenfassung mehrerer Benälter
in beliebiger Zahl ßu einer betriebseinheit.
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Erfindungsgemäß ist auch die Möglichkeit vorgesehen, statt mit einem
der erfindungsgemäßen Behälter auch mit einem oder mehreren grdßeren, gleich großen
oder kleineren Behältern des gleichen Typs sowie mit einem oder mehreren größeren,
gleich großen oder kleineren Behältern eines anderen Typs ZU arbeiten. Ein kleinerer
kann auch in das Innere eines erfindungsgemäßen Behälters hinenkonstruiert sein,
Beispielsweise sind drei gleiche oder ungleiche Behälter 37 bis 3@, die der Erfindung
entsprechen, sowie drei oder vier Segmente Im Hauptringraum, so zusammengeschaltet,
daß Je zwei Behälter 37 und 38 b/w. 37 und 39 sich an denjenigen Wänden berühren,
die
keine Segmente haben, Diese sich berührenden Wände tragen Uffnungen
44, die es ermöglichen, daß je zwei Behälter in der Höhe und/oder am Boden verbunden
sind, Der Behälter 37 kann für die Meßgrößen, wenn er in Betrieb ist, nicht die
gleichen Maßstäbe haben wie die Behälter 38 und 39.
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Die Behälter können auch alle ungleich groß sein (Fig. 9, Teile 40
bis 42).
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Der besseren Übersicht halber hat man bei den Behältern der Fig.
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8 und 9 nur die Abteile der zylinderförmigen Wand 3 und die senkrechten
Scheidewände dargestellt, die die äußersten Teile dieter Abteile an der Seitenwand
des Behälters festhalten.