DE2310319A1 - Vorrichtung zum begasen von fluessigkeiten - Google Patents

Vorrichtung zum begasen von fluessigkeiten

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Description

  • Vorrichtung zum Begasen von Flüssigkeiten Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Begasen von Flüssigkeiten, insbesondere zum Belüften von Nährböden bei der Züchtung von Mikroorganismen, wobei in der Horizontalen strahlenförmig angeordnete, rinnenförmige, an ihrer Abströmseite offene Flügel mit einer mit Gaszuführung versehenen, in Rotation versetzbaren, hohlen und Gasdurchlässe zu den Flügeln aufweisenden Nabe verbunden sind.
  • Bei bekannten Vorrichtungen dieser Art erstrecken sich die Gasaustrittsöffnungen mehr oder weniger über die gesamte Länge der Flügel. Dabei wirkt sich der Umstand nachteilig aus, daß in verschiedenen Abständen von der Rotationsachse verschiedene Umfangsgeschwindigkeiten und damit zufolge der unterschiedlichen Relativbewegung zwischen dem Flügel und der zu begasenden Flüssigkeit auch verschiedene Druckverhältnisse herrschen. Um an den achsnahen Stellen des Flügels eine hinreichend feine Gasverteilung zu erzielen, müßten die Flügel mit sehr hoher Geschwindigkeit durch die Flüssigkeit hindurchbewegt werden, wodurch sich aber an den achsfernen Flügelstellen eine nahezu nicht mehr beherrschbare Umfangsgeschwindigkeit ergeben würde. Um über die ganze Flügellänge auch nur annähernd gleiche Verhältnisse zu schaffen, ist eine entsprechende Ausgestaltung der Flügel erforderlich, zumal überdies in den äußeren Bereichen pro Umdrehung ein größeres Flüssigkeits volumen zu begasen ist als in den inneren Bereichen. Anderseits läßt sich die Bildung von sogenannten Gasausbrüchen, das sind Gasmengen, die in der Flüssigkeit nur sehr grob verteilt sind, in der Nähe der Rotationsachse nicht zuverlässig vermeiden. Aus diesem Grunde wurden bereits die Flügel nur im achsferaen Teil rinnenförmig undeöffnet, im achsnäheren Teil hingegen als Röhren mit geschlossenem Profil ausgebildet. Es hat sich aber gezeigt, daß es sich auf diese Weise nicht vermeiden läßt, daß sich die beim Betrieb der Vorrichtung ausbildenden Vakuolen über einen großen Teil der Flügellänge zur Rotationsachse hin erstrecken, also auch über jene eile der Flügel, in denen sich keine Gasaustrittsöffnungen mehr befinden. Es herrschen dann auch hier an der Vakuole die bereits beschriebenen ungleichen Druckverhältnisse. Unter Vakuolen werden Gaseinschlüsse in der zu begasenden Flüssigkeit verstanden, welche Einschlüsse sich in hinter den durch die Flüssigkeit bewegten Flügeln entstehenden strömungstechnischen Unterdruckgebieten durch Einbringen von Gas in diese Unterdruckgebiete bilden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die beim Betrieb der Vorrichtung entstehenden Vakuolen in Richtung zur Rotationsachse begrenzt sind, womit der Bereich der Umfangsgeschwindigkeiten im Bereich der Vakuolen eingeengt und damit eine gleichmäßigere Gasverteilung erreichbar ist. Anderseits soll aber der von den Vakuolen bestrichene Ringraum nicht zu schmal werden, weil sonst die zu Feinverteilung der benötigten Gasmenge erforderliche Länge der Vakuolen fehlt.
  • Erfindungsgemäß sind die Flügel an einem im wesentlichen rotationssymmetrischen, mit der Nabe in Verbindung stehenden bzw. mit dieser aus einem Stück gefertigten Körper angesetzt, dessen Durchmesser das 0,25 bis 0,8fache, vorzugsweise etwa das O,5fache, des Durchmessers des von den äußeren Flügelenden beschriebenen Kreises beträgt. Über einen solchen, gemeinsam mit den Flügeln rotierenden Körper hinweg können sich die hinter den Flügeln entstehenden Vakuolen nicht in Richtung zur Rotationsachse hin fortsetzen. Selbstverständlich kann der Körper von der idealen Rotationssymmetrie in unwesentlichen Details, wie z.B. vorstehenden Schraubenköpfen u.dgl., abweichen, ohne daß die erwünschte Wirkung merklich geschmalert würde. Beträgt der Durchmesser des rotationssymmetrischen Körpers das 0,12fach des Durchmessers des von den äußeren Flügelenden beschriebenen Kreises, so verhält sich die kleinste im Gebiet der Vakuolen auftretende Umfangsgeschwindigkeit zur größten wie 1 : 4 . Es hat sich gezeigt, daß eine solche Einengung des Geschwindigkeitsbereiches die Verschiedenheit der Strömungs- und Druckverhältnisse an den Vakuolen auf ein Maß herabsetzt, bei welchem eine einigermaßen gleichmäßige Verteilung des Gases möglich ist. Anderseits verbleibt bei einem Durchmesser des rotationssymmetrischen Körpers vom 0,8fachen des Durchmessers des von den äußeren Flügelenden beschriebenen Kreises, in welchem Fall sich die kleinste Umfangsgeschwindigkeit zur größten wie 1 : 1,25 verhält, eine für manche Begasungszwecke noch ausreichende Radialerstreckung der Flügel bzw.
  • Vakuolen.
  • Die spezielle Form des rotationssymmetrischen Körpers ist als solche nicht wesentlich, da er lediglich ein Fortsetzen der Vakuolen in Richtung zur Rotationsachse hin verhindern soll. Es muß nur die Möglichkeit gegeben sein, das zu verteilende Gas durch itnhindurch den Flügeln zuführen zu können.
  • Aus baulichen und strömungstechnischen Gründen kann der rotationssymmetrische Körper an seiner Ober- und seiner Unterseite von im wesentlichen ebenen oder kegelmantelartigen Flächen begrenzt und seine bei den Ansatz stellen der Flügel gemessene Höhe gleich oder etwas größer sein als die an den Ansatz stellen parallel zur Rotationsachse gemessene Dicke der Flügel. Normalerweise wird seine Höhe nicht mehr als die doppelte Dicke der Flügel an ihren Ansatzstellen betragen.
  • Vorteilhafterweise kann der rotatienssymmetrische Körper hohl ausgebildet sein und in Richtung zur Rotationsachse hin bis zur Nabe reichen bzw. in diese übergehen. Das zu verteilende Gas wird durch die Gaszuführungsleitung, die Nabe und den rotationssymmetrischen Körper hindurch in die Flügel geleitet, durch deren offene Rückseiten es in die Vakuolen austritt und sich dort in der Flüssigkeit verteilt.
  • In einigen Fällen ist es vorteilhaft, einen Teil der zu begasenden Flüssigkeit auch in Achsnähe durch die Begasungsvorrichtung hindurchtreten zu lassen, u.zw. beispielsweise dann, wenn in einem mit der Begasungseinrichtung versehenen Behälter, z.B. einem Fermenter, die unter der Begasungseinrichtung befindliche Flüssigkeit mit einer größeren Durchsatzrate erneuert werden soll, als der normalen, durch den rotationssymmetrischen Körper behinderten Durchmischung entspricht.
  • Zu diesem Zweck kann dieser gegen sein Inneres abgeschlossene Durchgänge aufweisen, deren Achsen zur Rotationsachse parallel oder windschief verlaufen. Es kann aber auch der rotationssymmetrische Körper mit der Nabe mittels das Gas von der Nabe zu den Flügeln leitender, röhrenförmiger Speichen verbunden sein. Es werden dabei die Durchgänge durch die Zwischenräume zwischen den einzelnen Speichen gebildet. Die Anzahl der Speichen kann mit jener der Flügel übereinstimmen, wobei jedem Flügel Gas über eine eigene Speiche zugeführt wird, oder es kann die Zahl der Speichen von jener der Flügel verschieden sein, insbesondere können weniger Speichen als Flügel vorliegen. In diesem Fall erfolgt die Gasverteilung zu den einzelnen Flügeln über den rotationssymmetrischen Körper, welcher dann natürlich hohl ausgeführt sein muß.
  • Zur Verringerung des Strömungswiderstandes bzw. zur Vermeidung von unerwünschten Vakuolenbildungen hinter den Speichen können diese stromlinienförmiges Profil aufweisen. Vorteilhafterweise kann dabei das Speichenprofil in Richtung der bei Betrieb der Vorrichtung zwischen den Speichen herrschenden, auf die Speichen bezogenen jeweiligen Flüssigkeitsströmung eingestellt sein. Bei Betrieb der Begasungsvorrichtung bildet sich im Behälter, z.B. im Fermenter, eine Umwälzströmung aus, die einerseits durch Mammutpumpenwirkung und anderseits durch eine gewisse Zentrifugalförderung der Begasungsflügel hervorgerufen wird. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Speichen auf die zwischen ihnen hindurchströmende Flüssigkeit sowohl möglichst wenig Pump-, als auch möglichst wenig Bremswirkung ausüben, weil dies zur Vereinigung von in der Flüssigkeit enthaltenen Gasblasen und damit wieder zu unerwünschten, die Flüssigkeitsströmung beeinträchtigenden Gasausbrüchen führen kann. Die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit und damit der Verdrehwinkel der Speichen hängen von mehreren Faktoren ab, wie z.B. Form des Behälters, Gashältigkeit der Flüssigkeit usw. Im allgemeinen werden günstigste Ergebnisse erzielt, wenn das Speichenprofil gegenüber der Rotationsebene um einen Winkel von etwa 10-30° verdreht ist. Vorteilhafterweise kann der Verdrehwinkel der Speichen veränderbar sein. Dadurch kann die Richtung des Speichenprofiles den herrschenden Flüssigkeitsströmungen im Behälter immer genau angepaßt werden, was eine sehr gute Ausnützung des eingebrachten Gases mit sich bringt.
  • Die Anzahl der Flügel, mit denen die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgestattet ist, beträgt in der Regel drei oder mehr. Dabei sollen vorzugsweise die Anzahl der Flügel und die Anzahl der im Behälter gegebenenfalls peripher angeordneten Brems- oder Wärmeaustauscheinbauten keinen anderen gemeinsamen Teiler als Eins haben, wodurch sich Flüssigkeitsstöße zeitlich soweit als möglich verteilen.
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Begasungsvorrichtung. Fig. 2 zeigt einen zugehörigen Grundriß.
  • Fig. 3 veranschaulicht einen Vertikalschnitt durch eine andere Ausführungsform, die gleichen Grundriß aufweist wie jene gemäß Fig. 1. Fig. 4 stellt im Grundriß eine dritte Ausführungsvariante dar. Fig. 5 gibt einen Vertikalschnitt durch eine weitere Ausführungsform wieder, bei welcher der rotationssymmetrische Körper mit der Nabe über Speichen in Verbindung steht. Fig. 6 ist ein der Fig. 5 zugeordneter Grundriß. Fig. 7 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine Ausführung, bei welcher der rotationssymmetrische Körper mit der Nabe durch Speichen verbunden ist, die stromlinienförmiges Profil aufweisen. Fig. 8 ist ein der Fig. 7 zugeordneter Grundriß.
  • In den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 4 sind mit 1 die rinnenförmigen, an ihrer Abströmseite offenen Flügel bezeichnet, die an einem im wesentlichen rotationssymmetrischen Körper 2 angesetzt sind, der mit der Nabe 3 in Verbindung steht bzw. mit dieser aus einem Stückiefertigt ist. E ist der von den Flügelenden 4 beschriebene Kreis.
  • Die Nabe 3 und damit der rotationssymmetrische Körper 2 sind über eine Antriebswelle 5 in Rotation versetzbar, wodurch dann die Flügel 1 durch die Flüssigkeit bewegt werden. 6 ist die in die Nabe a mündende Gaszuführungsleitung. Mit 7 sind die Gasdurchlässe zwischen den rotationssymmetrischen Körper 2 und den Flügeln 1 bezeichnet. Der Pfeil P deutet die Richtung an, in welcher die Flügel 1 bewegt werden. Der Radius des Kreises E ist mit R1 , und der größte Radius des rotationssymmetrischen Körpers mit R2 bezeichnet. Der rotationssymmetrische Körper 2 ist an seiner Ober- und seiner Unterseite entweder von ebenen Flächen 8 (Fig. 1) oder von kegelmantelartigen Flächen 9 (Fig. 3) begrenzt. Die Höhe H des rotationssymmetrischen Körpers an den Ansatz stellen 10 der Flügel 1 ist etwas größer als die an den Ansatz stellen 10 parallel zur Rotationsachse A gemessene Dicke D der Flügel 1.
  • Der rotationssymmetrische Körper 2 ist hohl ausgebildet und reicht von den Ansatz stellen 10 der Flügel 1 bis zur Nabe 3 bzw. geht in diese über. Mit 1 sind die Gasaustrittsöffnungen an den offenen Abströmenden der Flügel 1 bezeichnet.
  • Gemäß Fig. 4 weist der rotationssymmetrische Körper 2 gegen sein Inneres abgeschlossene Durchgänge 12 auf, deren Achsen zur Rotationsachse A windschief verlaufen, u.zw.
  • derart, daß die Achse jedes Durchganges 12 in einer Ebene liegt, die auf dem von der Rotationsachse A ausgehenden, zur Mitte des Durchgangs 12 führenden Radius normal steht.
  • Bei allen bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen weist der rotationssymmetrische Körper 2 einen Radius R2 auf, der etwas das 0,3fache des Radius R1 des von den äußeren Flügelenden 4 beschriebenen Kreises K beträgt.
  • Gemäß Fig. 5 und 6 sind die Flügel 20 an einem zur Rotationsachse A konzentrischen, den rotationssymmetrischen Körper bildenden Ring 21 angesetzt, der über röhrenförmige Speichen 22 mit der Nabe 23 in Verbindung steht. Jedem Flügel 20 ist dabei eine Speiche 22 zugeordnet, über welche das in die zu begasende Flüssigkeit einzubringende Gas von der Nabe 23 direkt in jeden Flügel 20 einbringbar ist.
  • Die an den offenen Rückseiten der Flügel 20 vorgesehenen Gasaustrittsöffnungen sind mit 24 bezeichnet. Der Radius R2 des konzentrischen Ringes 21 beträgt etwa das 0,6fache des Radius des durch die Flügel enden 25 beschriebenen Kreises E.
  • Mit 26 sind die Gasdurchlässe zwischen der Nabe 23 und den röhrenförmigen Speichen 22 bezeichnet. Die Höhe H des Ringes 21 ist etwas größer als die Dicke D der Flügel 20 an ihren Ansatzstellen an dem Ring. 27 ist die Gaazuführungsleitung und 28 die Antriebswelle, über welche die Begasungsvorrichtung in Rotation versetzbar ist.
  • Gemäß dem in den Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Speichen 22' stromlinienförmiges Profil auf. Der rotationssymmetrische Körper ist als hohler Ring 21' ausgebildet, an welchem die Flügel 20' angesetzt sind. Die Zahl der Speichen stimmt mit jener der Flügel nicht überein, weshalb die Verteilung des Gases zu den einzelnen Flügeln 20' und damit zu den Gasaustrittsöffnungen 24' über den Ring 21' erfolgt. Das zu verteilende Gas wird dem Ring 211 über die Speichen 22' und die Nabe 23' von der Gaszuführungsleitung 27' zugeführt. Das Speichenprofil ist in Richtung der bei Betrieb der Vorrichtung zwischen den Speichen 22' herrschenden, auf die Speichen bezogenen jeweiligen Flüssigkeitsströmung eingestellt und weist gegenüber der Rotationsebene einen Winkell (Fig. 7) von etwa 150 auf. Der Verdrehwinkel d der Speichen 22' könnte dabei veränderbar sein. Der Radius R2 des Ringes 21' entspricht etwa dem O,5fachen des Radius des durch die Flügelenden 25' beschriebenen Kreises K . Mit 28' ist die Antriebswelle der Begasungsvorrichtung bezeichnet.
  • Wird die erfindungsgemäße Begasungsvorrichtung in Rotation versetzt, dann bilden sich hinter den Flügeln 1; 20; 20' in der die Flügel umgebenden zu begasenden Flüssigkeit strömungstechnische Unterdruckgebiete. Wird diesen Unterdruckgebieten nun durch die Flügel 1; 20; 20' hindurch Gas zugeführt, so bilden sich hinter diesen Flügeln Gaseinschlüsse, die sogenannten Vakuolen. Die Vakuolen erstrecken sich von den Flügel enden 4; 25; 25' bis zu dem ein weiteres Ausbreiten der Vakuolen in Richtung zur Rotationsachse A verhindernden rotationssymmetrischen Körper 2; 21; 21' . Dadurch, daß durch diesen Körper die Vakuolen in Richtung zur Rotationsachse hin begrenzt sind, wird dem Auftreten von Gasausbrüchen, also nicht ausreichend verteiltem Gas, wirksam vorgebeugt, da in dem Bereich, in welchem niedrige Relativgeschwindigkeiten zwischen den Flügeln und der umgebenden Flüssigkeit herrschen, keine Vakuolen mehr sind.
  • Durch die Durchgänge 12 (Fig. 4) bzw. durch die Zwischenräume zwischen den Speichen 22 bzw. 22' (Fig. 5 und 6 bzw.
  • 7 und 8) wird verhindert, daß sich im Betrieb unterhalb der Begasungsvorrichtung Flüssigkeitsteile befinden, die nicht genügend belüftet sind und sich nicht mit der übrigen Flüssigkeit vermischen können. Insbesondere bei der Begasung von Nährböden für Mikroorganismen ist es aber besonders wichtig, daß alle Flüssigkeit steile gleichmäßig belüftet und miteinander vermischt werden, da es sonst zu einem Absetzen der Mikroorganismen in diesen '2Totwassergebieten" kommt, wobei die Mikroorganismen dann zu wenig Sauerstoff für gute Vermehrung zur Verfügung haben, was zu schlechter Qualität der gezüchteten Mikroorganismen führt. Die Achse der Durchgänge 12 haben dabei eine solche Neigung, daß es weder zu einem Pump- noch zu einem Bremseffekt kommen kann. Die Durchmischung der einzelnen Flüssigkeit steile soll nämlich lediglich durch die durch die Begasung bewirkte natürliche Zirkulation erfolgen. Dies ist deshalb wichtig, weil dadurch eine maximale Verweilzeit der Gasblasen in der Flüssigkeit erreicht wird. Aus den gleichen Gründen ist auch der Verdrehwinkel d der Speichen 22' so gewählt, daß das Speichenprofil in Richtung der bei Betrieb der Begasungsvorrichtung zwischen den Speichen herrschenden, auf dieselben bezogenen Flüssigkeitsströmung verläuft.

Claims (9)

  1. PAENBNSPRCHE:
    Vorrichtung zum Begasen von Flüssigkeiten, insbesondere zum Belüften von Nährböden bei der Züchtung von Mikroorganismen, wobei in der Horizontalen strahlenförmig angeordnete, rinnenförmige, an ihrer Abströmseite offene Flügel mit einer mit Gaszuführung versehenen, in Rotation versetzbaren, hohlen, Gasdurchlässe zu den Flügeln aufweisenden Nabe verbunden sind, dadurch gekenazeichnet, daß die Flügel (1;20;20') an einen im wesentlichen rotationssymmetrischen, mit der Nabe (3;23;23') in Verbindung stehenden bzw. mit dieser aus einem Stück gefertigten Körper (2;21;21') angesetzt sind, dessen Durchmesser das 0,25 bis 0,8fache, vorzugsweise etwa das 0,5fache, des Durchmessers des von den äußeren Flügelenden (4;25;25') beschriebenen Kreises (g) beträgt.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rotationssymmetrische Körper (2) an seiner Ober- und Unterseite von im wesentlichen ebenen oder kegelmantelartigen Flächen (8 bzw. 9) begrenzt ist und seine bei den Ansatz stellen (10) der Flügel (1) gemessene Höhe (H) gleich oder etwas größer als die an den Ansatz stellen (10) parallel zur Rotationsachse (A) gemessene Dicke (D) der Flügel (1) ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der rotationssymmetrische Körper (2) hohl ist und in Richtung zur Rotationsachse (A) hin bis zur Nabe (3) reicht bzw. in diese übergeht.
  4. 4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der rotationssymmetrische Körper (2) gegen sein Inneres abgeschlossene Durchgänge (12) aufweist, deren Achsen zur Rotationsachse (A) parallel oder windschief verlaufen (Fig. 4).
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rotationssymmetrische Körper (21) mit der Nabe (23) mittels das Gas von der Nabe (23) zu den Flügeln (20) leitender, röhrenförmiger Speichen (22) verbunden ist CFig. 5 und 6).
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichen (22') stromlinienförmiges Profil aufweisen (Fig. 7 u. 8).
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichenprofil in Richtung der bei Betrieb der Vorrichtung zwischen den Speichen (22') herrschenden, auf die Speichen bezogenen jeweiligen Flüssigkeitsströmung eingestellt ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Speichenprofil (22') gegenüber der Rotationsachse um einen Winkel von etwa 10-30° verdreht ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrehwinkel C) der Speichen (22') veränderbar ist.
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