DE2307877B2 - Vorrichtung zum Sterilisieren von Flüssigkeiten - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Sterilisieren von Flüssigkeiten mittels UV-Strahlung und von dieser gebildetem Ozon, die wenigstens
einen in einer Bestrahlungskammer untergebrachten Entkeimungsbrenner enthält, dem im Abstand eine
Umhüllung aus für UV-Strahlung durchlässigem Material zugeordnet ist, wobei in den so gebildeten Kanal
zwischen Entkeimungsbrenner und Umhüllung ein Sauerstoff enthaltendes Gas eingeleitet und anschließend der zu sterilisierenden Flüssigkeit zugeführt wird,
und bei der die die Umhüllung durchdringenden UV-Strahlen unmittelbar auf die Flüssigkeit einwirken.
Es ist eine Vorrichtung zum Entkeimen von Flüssigkeiten durch ultraviolette Strahlen und von
diesen gebildetem Ozon bekannt, bei der eine Metalldampflampe ganz oder teilweise in ein Gefäß
eingesetzt ist, das Zu- und Ableitrohre aufweist und in dem von den auf die Flüssigkeit direkt einwirkenden
ultravioletten Strahlen auch Ozon gebildet werden kann, welches in die Flüssigkeit eingeleitet wird (DE-PS
3 78 123).
Die mit einer solchen Vorrichtung erzielbare Entkeimungswirkung ist jedoch nur sehr unvollkommen. Dies einerseits deshalb, weil infolge der im
Vergleich zum umgebenden Flüssigkeitsvolumen nur sehr geringen Wirkungserstreckung der Metalldampflampe in dem sie nur unzureichend umhüllenden Gefäß
sowie in der umgebenden Flüssigkeit von vornherein nur ein geringfügiger Ozonisierungseffekt erzielbar ist.
Hinzu kommt noch, daß der dem Ableitrohr abgewandte Bereich des Gefäßes strömungsmäßig gesehen einen
Stauraum bildet, so daß der Wirkungsgrad der Vorrichtung auch schon aus diesem Grund beeinträchtigt ist. Andererseits wird überhaupt nur ein verhältnismäßig geringer Volumenanteil der im Flüssigkeitsbehälter befindiichen Flüssigkeit von den aufsteigenden Luft-
und Ozonblasen durchsetzt, zumal sich diese Gasblasen auch noch an den im Flüssigkeitsbehälter befindlichen
Rohren, Leitungen und Einsätzen festsetzen.
Es sind auch schon Verfahren zum Sterilisieren von flüssigen oder gasförmigen Medien durch Ultraviolettstrahlung bekannt, bei welchen das zu behandelnde
Medium den Mantelraum zwischen zwei koaxialen Röhren durchströmt und von einer im Inneren, aus für
Ultraviolettstrahlen durchlässigem Material bestehenden Rohr angeordneten, stabförmigen Ultraviolettstrahlenquelle bestrahlt wird (DE-OS 19 16 540, CH-PS
2 75 970).
Das die Ultraviolettstrahlenquelle unmittelbar umschließende, als Schutzhülle wirksame Rohr besteht bei
diesen bekannten Brennerausführungen im allgemeinen aus einem Spezialquarzglas mit Titanzusatz, das speziell
für die bakterizid wirksame UV-Strahlung des Wellenbereichs 254 nm durchlässig ist, auf UV-Strahlung
anderer Wellenbereiche bzw. Wellenlängen dagegen abschirmend wirkt. Für das koaxial zum inneren Rohr
angeordneten äußeren Rohr wird als Werkstoff in der Regel ebenfalls ein Quarzglas mit Titanzusatz gewählt,
so daß hinsichtlich der UV-Strahlung dieselben Voraussetzungen vorliegen wie beim inneren Rohr.
Sterilisierung einer UV-Bestrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 1800 und 3000 Ä auszusetzen, wobei
ein Teil der Strahlung im Wellcnlängenbereich zwischen 1800 und 2000 A ausgesandt wird. Das bei der
Bestrahlung der in den Hohlgegenständen befindlichen Luft mit einer UV-Strahlung der erwähnten Wellenlänge entstehende Ozon wird dabei dadurch unwirksam
gemacht, daß die Bestrahlung so lange andauert bzw. fortgesetzt wird, bis die in den Behältern vorhandene
Luft eine Temperatur von mindestens 80° erreicht hat; das ist die Temperatur, bei der sich Ozon sehr schnell
zersetzt(CH-PS3 25 668).
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Sterilisierung von Flüssigkeiten mittels UV-Strahlung
und basiert auf der Aufgabenstellung, eine solche Konzeption für eine Sterilisierungsvorrichtung zu
finden, die bei einem Geringstmaß an Konstruktionsaufwand eine optimale Sterilisieningswirkung sowie eine
optimal wirtschaftliche Arbeitsweise gewährleistet. Dabei wird der Wellenbereichsanteil der UV-Strahlung
zwischen 1800 und 3000 Λ für die Sterilisierung nutzbar
gemacht, das heißt, insbesondere werden auch diejenigen Wellenlängen der UV-Strahlung herangezogen,
weiche einen ozonisierenden Effekt haben.
Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die Vorrichtung
zum Sterilisieren erfindungsgemäß mindestens eine Bestrahlungskammer enthält, der ein kombinierter
Reaktions- und Sammelbehälter räumlich nachgeordnet ist, und daß die Bestrahlungskammer und der Reaktions-Sammelbehälter sowohl flüssigkeits- als auch gasströmungsmäßig miteinander verbunden sind, und daß
ferner die in den Reaktionsbehälter eingeführte Gasleitung bis in dessen Bodenbereich herabgezogen ist
und in einen mit Austrittsöffnungen versehenen Ringverteiler einmündet
Bevorzugte Ausführungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Wie entsprechende Untersuchungen gezeigt haben, konnte bei zu
entkeimendem V/asser durch die Kombination einer direkten Bestrahlung mit bakteriziden UV-Strahlen mit
einer Ozonbehandlung in Form von in die zu entkeimende Flüssigkeit ein- bzw. hindurchgeleitetem
ozonisiertem Luftsauerstoff eine beträchtliche Erhöhung der Entkeimungswirkung erzielt werden. Dabei ist
eine umso wirksamere Ozonerzeugung gewährleistet, je trockener und staubfreier die am Brennerelement zur
Ozonisierung vorbeigeführte Luft ist. In bestimmten Fällen kann es daher durchaus zweckmäßig sein, die zu
ozonisierende Luft zu konditionieren.
Bei den infrage kommenden UV-Strahlungskomponenten handelt es sich im Falle der unmittelbar
bakteriziden Strahlung insbesondere um Wellenlängen im Bereich von 254 nm, bei der ozonisierenden
UV-Strahlung um Wellenlängen im Bereich von 185 »im.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat es sich als
vorteilhaft und wesentlich erwiesen, die unmittelbare Schutzhülle der Eintauchbrenner sowie die diese jeweils
konzentrisch umschließenden Zylinder aus reinem Quarzglas herzustellen, das, wie sich gezeigt hat, für die
Wellenlängen 254 nm und 185 nm der vom Brenner erzeugten UV-Strahlung optimal durchlässig ist
Die Erfindung sei im nachstehenden anhand der schematischen Zeichnung, die eine beispielsweise, zur
Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung geeignete Entkeimungsvorrichtung im Prinzip veranschaulicht noch näher erläutert
Beim Ausführungsbeispiel gemäß der Figur ist zwei strömungsmäßig in Reihe geschalteten UV-Bestrahlungskammern 1,2 ein Reaktionsbehälter 3 nachgeordnet der zugleich als Sammelbehälter dient und von dem
aus die entkeimte Flüssigkeit den einzelnen, nicht gezeichneten Verbraucherstellen zugeführt wird.
Jede der beiden UV-Bestahlungskammern enthält
eineir in ihr auswechselbar angebrachten Entkeimungsbrenner 4, beispielsweise in Form eines Quecksilber-Niederdruckbrenners, der von einem UV-strahlungsdurchlässigen Zylinder 5 vorzugsweise aus reinem
in Quarzglas flüssigkeitsdicht und so umschlossen ist daß
zwischen der äußeren Oberfläche der Brennerelemente 4 und der inneren Oberfläche der Quarzzylinder 5 ein
Abstand verbleibt wodurch in jeder Bestrahlungskammer ein Strömungskanal 6, 7 entsteht Der jeweilige
Abstand des Quarzzylinders vom Brennerelement wird dabei abhängig von der Strahlungsleistung und/oder der
gewünschten Strahlungswirkung gewählt
Die zu entkeimende Flüssigkeit wird der Bestrahlungskammer 1 über die Zulaufstelle 8 erforderlichen-
falls unter Zwischenschaltung eines Filters 9 zugeführt Das Filter dient dabei dem Zweck, aus der zu
entkeimenden Flüssigkeit vor deren Eintritt in den Bestrahlungsbehälter insbesondere solche Teilchen
und/oder Substanzen zu entfernen, welche die Strahlt lungsdurchlässigkeit der Flüssigkeit im interessierenden
Wellenbereich beeinträchtigen.
Die bakterizide UV-Strahlung der Wellenlänge 2000 bis 3000 Ä, insbesondere die der Wellenlänge 254 nm,
tritt im wesentlichen radial aus dem Entkeimungsbren-
m ner aus und wirkt nach dem Durchlaufen des Strömungskanals 6 und dem Durchdringen der Wandung des Quarzzylinders 5 unmittelbar auf die zu
entkeimende Flüssigkeit 10 ein.
Ji Wirkung einer UV-Strahlung des Wellenbereichs 2000
bis 3000 Ä ausgesetzte Flüssigkeit gelangt über eine Verbindungsleitumng U in die zweite UV-Bestrahlungskammer 2, in der sie einer weiteren UV-Bestrahlung des angegebenen Wellenbereiches unterworfen
wird. Nach dieser Bestrahlungsphase verläßt die vorsterilisierte Flüssigkeit die Bestrahlungskammer 2
und strömt über die Rohrleitung 12 in den Reaktionsbehälter 3, in welchem sie der sterilisierenden Wirkung des
Ozons ausgesetzt wird.
4ί Zum Zwecke der Ozonisierung der durch UV-Bestrahlungskammer I ein ozonisierbares Gas, beispielsweise Luft, über eine Ansaug- bzw. Eintrittsstelle 13,
gegebenenfalls unter Verwendung eines Luftkopressors 14 oder dgl. zugeführt Dieses Gas gelangt dann über
V) eine bei 15 den Behälterdeckel 16 durchdringende
Rohrleitung 17 in den ersten Strömungskanal 6 und wird auf dem Weg zur Austrittsstelle 18 der Wirkung der
UV-Strahlung des Weilenbereiches 1800 bis 2000 Ä. insbesondere aber der Wellenlänge 185 nm zugänglich
v-, gemacht und dadurch ozonisiert. Das vorozonisierte
Gas strömt dann über eine Verbindungsleitung 19 von unten her in den Strömungskanal 7 der Bestrahlungskammer 2 ein, durchsetzt diesen von unten nach oben
und wird dabei einer zweiten Ozonisierungsphase
M) unterworfen, bis es schließlich im ozonisierten Zustand
in eine in den Reaktionsbehälter 3 führende Leitung 20 gelangt welche durch die Abdeckung 21 dieses
Behälters hindurch und bis angenähert in dessen Bode.!bereich geführt ist
Das ozonisierte Gas wird der im Reaktionsbehälter befindlichen, durch UV-Bestrahlung bereits weitgehend
entkeimten Flüssigkeit 10 mittels einer Ringleitung 22 vorzugsweise im Gegenstrom zugeführt die mit
Gasaustrittsöffnungen 23 versehen ist. Im Bedarfsfall
kann das ozonisierte Gas auch unter Druck in die Flüssigkeit 10 eingespeist werden. Anstelle einer
Ringleitung kann selbstverständlich jede für einen solchen Zweck geeignete Vorrichtung verwendet
werden.
Die entkeimte Flüssigkeit kann der Zapfstelle 24 entnommen werden. Um in der Flüssigkeit eventuell
noch vorhandenes freies Ozon herauszufiltern, besteht die Möglichkeit, der Zapfstelle 24 ein geeignetes Filter
25, etwa ein Aktiv-Kohlefilter, vorzuschalten.
Infolge des Doppelentkeimungseffektes wird einerseits eine optimale bakterizide Wirkung erzielt und zum
andern kann der Flüssigkeitsdurchsatz pro Zeiteinheit gaiiz wesentlich erhöht werden. Verwendet man
beispielsweise einen Quecksilbcr-UV-Nicdcrdruckbrenner
mit einer Leistung von ca. 8 Watt, so lassen sich damit bei ausschließlich auf reiner UV-Strahlung
beruhender Entkeimungswirkung pro Minute etwa drei Liter bakteriologisch nicht einwandfreies Wasser in
hygienisch einwandfreies Trinkwasser umwandeln. Bei gleichzeitiger Ozonisierung eines an dem erwähnten
Niederdruckbrenner vorbeigeleiteten Luftstromes von ca. fünf Litern pro Minute und anschließendem Einleiten
der ozonisierten Luft gut verteilt in das zu entkeimende Wasser konnte die Entkeimungsleistung etwa verdoppelt
werden, so daß pro Minute ca. sechs Liter hygienisch nicht mehr beanstandbares Wasser gewonnen
werden konnten.
Die ozonierte Luft kann ohne weiteres auch einer nachgeschalteten weiteren Flüssigkeitssäule oder Kolonne
gegebenenfalls über geeignete Mischvorrichtungen und/oder Düsen zugeführt werden. Ferner können
auch mehrere gemäß der Erfindung ausgeführte Brennerkombinationen nebeneinander in einem Sammelbehälter
angeordnet bzw. zusammengefaßt sein.
Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich insbesondere auch für die Entkeimung von Flüssigkeiten
mit geringer UV-Durchlässigkeit, also beispielsweise für Milch, Fruchtsäfte und dergleichen. Solche Flüssigkeiten
können durch eine UV-Bestrahlung nur dann wirksam entkeimt werden, wenn die der unmittelbaren UV-Bestrahlung
ausgesetzte Fiüssigkeitsschicht nicht zu dick ist. Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung ist
daher vorgesehen, derartige Flüssigkeiten über einen beispielsweise trichterförmig gestalteten Verteiler dem
diesem zugeordneten, in der Figur mit 5 bezeichneten Rohrzylinder derart zuzuführen, daß die Flüssigkeit als
Film entsprechender Schichtdicke an der Außenwandung des Rohrzylinders abwärtsläuft. Um dabei einen
Flüssigkeitsfilm gleichmäßiger Schichtdicke zu erhalten und diesen abhängig von der jeweiligen Flüssigkeit in
seiner Stärke variieren zu können, ist der Strömungsquerschnitt des trichterförmigen Verteilers veränderbar
und außerdem der Flüssigkeitspegel im Verteiler,
in beispielsweise durch eine höhen verstellbare Überlaufvorrichtung,
einstellbar. Der Reaktions- bzw. Sammelbehälter, in welchen die ozonisierte Luft eingeleitet
wird, kann dabei auch vom unteren Teil eines Aufnahmebehälters für die komplette Entkeimungseinheit
gebildet sein. Zweckmäßigerweise wird auch diesem Reaktionsbehälter ein geeigneter Überlauf
zugeordnet. Durch die Wirkung des Ozons wird entweder der Grad der Entkeimung der im Reaktionsbehälter
befindlichen Flüssigkeit erhöht oder im Falle unzureichender Entkeimung des an der Außenwandung
des Rohrzylinders herablaufenden Flüssigkeitsfilms durch die unmittelbar bakterizid wirkende UV-Strahlungskomponente,
beispielsweise infolge übermäßiger Schichtdicke der Flüssigkeit, der erforderliche Entkei-
2Ί mungsgrad erreicht. Dies bedeutet aber andererseits,
daß der ozonisierende Effekt auch hier eine beträchtliche Erhöhung des Flüssigkeitsdurchsatzes pro Zeiteinheit
ermöglicht.
Im Bedarfsfall können mehrere Entkeimungseinheiten nach der Erfindung auch in einem gemeinsamen
Behälter untergebracht werden. Das ozonisierte Gas kann dabei entweder unmittelbar der diesen Behälter
durchströmenden Flüssigkeit zugeführt oder in eine der Rüssigkeit strömungsmäßig vor- oder nachgeschaltete
Γ) Kolonne bzw. in einen Sammelbehälter eingeleitet
werden. Zur Steuerung und/oder Regelung der jeweiligen Durchflußmengen eignen sich die von der
Strömungstechnik her bekannten Elemente ohne Einschränkung. Dies gilt auch für die Erzielung
turbulenter Strömungen.
Um insbesondere die Entkeimungswirkung der Ozon erzeugenden UV-Strahlung zu erhöhen, hat es sich als
günstig erwiesen, die Innenwände der Rohrzylinder 5 teilweise oder ganz mit einer reflektierenden Schicht,
-n z. B. in Form einer dünnen Aluminiumfolie, zu versehen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Vorrichtung zum Sterilisieren von Flüssigkeiten mittels UV-Strahlung und von dieser gebildetem ·-,
Ozon, bestehend aus wenigstens einem in einer Bestrahlungskammer untergebrachten Entkeimungsbrenner, dem im Abstand eine Umhüllung aus
für UV-Strahlung durchlässigem Material zugeordnet ist, wobei in den so gebildeten Kanal zwischen in
Entkeimungsbrenner und Umhüllung ein Sauerstoff enthaltendes Gas eingeleitet und anschließend der
zu sterilisierenden Flüssigkeit zugeführt wird, und bei der die die Umhüllung durchdringenden
UV-Strahlen unmittelbar auf die Flüssigkeit einwir- r, ken, dadurch gekennzeichnet, daß sie
mindestens eine Bestrahlungskammer enthält, der ein kombinierter Reaktions- und Sammelbehälter (3)
räumlich nachgeordnet ist, und daß die Bestrahlungskammer und der Reaktions-Sammelbehälter
(3) sowohl flüssigkeit- als auch gasströmungsmäßig miteinander verbunden sind, und daß ferner die in
den Reaktionsbehälter eingeführte Gasleitung (20) bis in dessen Bodenbereich herabgezogen ist und in
einen mit Austrittsöffnungen (23) versehenen Ring- y,
verteiler (22) einmündet
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Entkeimungsbrenner umschließende Umhüllung als die Bestrahlungskammer axial
vollständig durchsetzender Rohrzylinder (5) ausge- jo
bildet ist und daß das Brennerelement (4) und der Rohrzylinder (5) auswechselbar in der Bestrahlungskammer angebracht sind.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1—2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Reaktions-Sani- c.
melbehälter (3) zwei Bestrahlungskammern (I, 2) vorgeordnet sind.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere jeweils aus
einem Entkeimungsbrenner (4) und einem diesem im m Abstand umschließenden Rohrzylinder (5) gebildete
Entkeimungseinheiten in eine gemeinsame Bestrahlungskammer eingesetzt sind.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß den Rohrzylindern (5) <r>
jeweils ein trichterförmig oder ähnlich gestalteter Flüssigkeitsverteiler mit veränderbarem Flüssigkeitspegel und/oder einstellbarem Strömungsquerschniti zugeordnet ist, derart, daß an der Außenwandung der Rohrzylinder ein Flüssigkeitsfilm definier- w
ter Schichtdicke kontinuierlich abwärtsläuft.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußleitungen
für den Zu- und Ablauf der Flüssigkeit tangential zu den Behälterwandungen verlaufen und die Rohrzy- v>
linder (5) flüssigkeitsseitig mit Schikanen zur Erzielung einer turbulenten Strömung versehen sind.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 —6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zulauf der zu
entkeimenden Flüssigkeit zu den Bestrahlungskam- M) mern und/oder in den Auslauf der entkeimten
Flüssigkeit aus dem Reaktions-Sammelbehälter Filter eingeschaltet sind.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das ozonisierte Gas M
und die Flüssigkeit im Reaktionsbehälter entgegengesetze Strömungsrichtung haben.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1—8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzhülle, der
Entkeimungsbrenner und die Rohrzylinder aus reinem Quarzglas bestehen.
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