CH660459A5 - Vorrichtung zum verarbeiten von fliessenden duennfluessigen bis sehr viskosen medien, insbesondere fuer eine fermentation von mikroorganismen. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verarbeiten fliessender dünnflüssiger bis sehr viskoser Medien, insbesondere für eine Fermentation von Mikroorganismen.

Als Verarbeiten fliessender bzw. flüssiger Medien wird vor allem deren Mischen (Homogenisation), Heben (Pumpen), Zerspritzen oder Zerstäuben in eine flüssige oder gasförmige Phase (Diffusion, Extraktion, Trocknen oder Fermentation von Mikroorganismen z.B. durch Submersion) gemeint.

Die erfmdungsgemässe Vorrichtung kann diese Funktionen entweder selbständig ausführen, oder sie kann derart ausgeführt werden, dass sie mehrere dieser Funktionen gleichzeitig erfüllt (z.B. an Fermentationsanordnungen).

An der erfindungsgemässen Vorrichtung können gemäss dem erwähnten Verfahren vor allem die folgenden Medien verarbeitet werden: Newtonische und nichtnewtonische Flüssigkeiten, festes Schüttmaterial und Gase in Kombination mit einer flüssigen Phase oder Medien, die feste, z. B. faserige Bestandteile enthalten.

Es sind Vorrichtungen für flüssige Medien bekannt, je nach ihrer Konsistenz zum Mischen von newtonischen Flüssigkeiten und nicht-newtonischen Flüssigkeiten (Gelen und Pasten).

Es gehört dazu auch ein Mischen von Flüssigkeiten oder fester schüttiger Materialien mit einem Gas (Diffusion, Flui-disieren) oder Dispergieren oder Emulgieren flüssiger Phasen.

Gemäss diesen Wirkungen werden auch verschiedene Arten von Mischgeräten angewandt.

Grundsätzlich werden zwei Arten von Mischgeräten unterschieden: schnellaufende und langsamlaufende. Schnellaufende Mischgeräte werden für wenig viskose Medien angewendet und ermöglichen eine gute Dispersion. Sie können jedoch nicht für hochviskose Flüssigkeiten angewendet werden. Für letztgenannte können nur langsam laufende Mischgeräte verwendet werden, z. B. Ankerrührer, Bandrührer, Kammrührer u.dgl. Keiner dieser Rührer verbürgt jedoch wegen des langsamen Rührens des Mediums eine vollkommene Dispersion.

Keines dieser erwähnten Mischgeräte ist z. B. für die Fermentation geeignet, wo während des Vorganges eine Änderung der Dichte des Mediums eintritt.

Mittels üblich angewendeter Mischgeräte können also nicht alle optimalen Bedingungen erzielt werden, die für eine vollkommene Fermentation erforderlich sind. Zum Beispiel bei der Erzeugung von Hefen, Antibiotika, Alkaloiden, Po-lysachariden u.dgl. ist es nötig, dem Medium eine Bewegung zu erteilen und flüssige, gasförmige und feste Phasen zu mischen, wobei das Fermentationsmedium zu Beginn der Fermentation eine sehr dünne Konsistenz besitzt und gegen Ende eine hoch viskose Konsistenz und oft schon den Charakter eines Puddinggels hat.

Ähnlich ist dies bei chemischen Reaktionen, z.B. beim Polymerisieren, wo das flüssige Medium gegen Ende der Polymerisation schon hoch viskos ist und ein weiteres Mischen mittels üblicher Mischgeräte nicht wirksam wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten Nachteile bekannter Misch- und Pumpsysteme zu beheben. Dies wird erfindungsgemäss bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass sie einen hohlen Rotor besitzt, der durch eine Antriebseinheit angetrieben wird und der durch einen Mantel und einen Boden gebildet wird, wobei der Boden des Rotors wenigstens eine Eintrittsöffnung für die Zufuhr des Mediums aus einem Behälter aufweist. Der Boden kann die Form eines Kreisringes haben mit einer zentralen Eintrittsöffnung, oder es können mehrere Eintrittsöffnungen ausserhalb des Umfangsteiles des Bodens vorgesehen sein, die vorteilhaft symmetrisch um die Bodenmitte angeordnet sind. Der hohle Rotor ist oben entweder vollkommen offen, ohne Verdeckung, oder mit einem Dek-kel versehen, wobei im Deckel, im Mantel, allfällig auch im Boden, Austrittsöffnungen vorgesehen sein können. Die Austritts-, aber auch die Eintrittsöffnungen können verschiedene Form haben, oder sie können mit Diffusoren, Dü5

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sen, Strömungsgleichrichtern, Ansätzen zum Entschäumen oder zum Schäumen der Medien oder mit anderen Ansätzen versehen sein, die das Strömen, die Menge und Form des über diese Offnungen aus- oder einströmenden Mediums beeinflussen.

Eine insbesondere zum Heben und Pumpen eines strömenden Mediums bestimmte Ausführungsform der Vorrichtung hat einen Boden und einen Deckel des Rotors in Form eines Kreisringes mit einer zentralen Öffnung für die Zufuhr und Abfuhr des fliessenden Mediums in und aus dem Rotor, wobei diese Öffnungen mit Diffusoren für ein Gleichrichten des in den Rotor eintretenden und aus dem Rotor austretenden Mediums versehen sind.

Eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung ist zum Mischen und eine gegenseitige Dispersion bestimmt und erreicht ein vollkommenes Mischen, bei der Polymerisation z.B. eine höhere Umsetzung und eine Erhöhung des Molekulargewichtes des Polymers. Die Wirkungsweise des erfindungsgemässen Mischgerätes ist vergleichbar mit der Wirkungsweise einer Pumpe, in diesem Fall einer Zentrifugalpumpe. Für manche Systeme verarbeiteter fliessender Medien fallen diese Wirkungsweisen zusammen und führen zu einem höheren Wirkungsgrad.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann einerseits als selbständige Rührvorrichtung angewandt werden, die lediglich unterhalb der Oberfläche des Mediums arbeitet, aber auch als selbständige Pumpe zum Heben verschiedener fliessender Medien, insbesondere sehr viskoser Medien und in manchen Fällen üblicher Arten von Zentrifugal-Schaufel-pumpen und dergleichen ersetzen, die in der Konstruktion kompliziert sind und einen niedrigen energetischen Wirkungsgrad und hohe hydraulische Verluste aufweisen.

Falls die Anordnung die Rolle einer Pumpe erfüllen soll, muss der hohle Rotor ganz oder teilweise mit seinem unteren Teil, wo sich der Boden des Rotors befindet, im verarbeiteten fliessenden Medium eingetaucht sein.

Es ist vielfach vorteilhaft, wenn innerhalb des Mischbehälters Anschläge oder ein anderer Einbau im Raum unterhalb und/oder oberhalb des Niveaus angeordnet sind. Der Grund dafür ist, dass im Mischbehälter, und zwar sowohl im unteren fliessenden Teil, das ist unterhalb des Niveaus, als auch im oberen Teil oberhalb des Niveaus ein solches Wirbeln und Spritzen des Mediums zustandekommt, dass eine vollkommene Dispersion und Diffusion der Bestandteile gesichert ist. Die Welle des hohlen Rotors kann am Hauptrahmen im Mischbehälter oder in einem standfesten Gehäuse des hohlen Rotors gelagert sein. Einen Bestandteil des standfesten Gehäuses des hohlen Rotors können auch Anschläge, wie ein Saugkorb oder ein anderer Einbau bilden.

Eine andere Alternative der Ausnützung der erfindungsgemässen Vorrichtung nur für ein Heben einer Flüssigkeit und zum Zerspritzen oder Pumpen ergibt sich, falls der untere Teil des hohlen Rotors, der für ein Tauchen in das Medium bestimmt ist, durch eine ortsfeste Verdeckung mit einem Rohr für die Zufuhr des Mediums zum Boden des hohlen Rotors umgeben ist. Diese kann am Hauptrahmen der Vorrichtung oder am Mischbehälter befestigt sein. Sie kann auch einen Teil des ortsfesten Gehäuses bilden, in dem der Rotor gelagert ist.

In diesem Fall müssen keine Anschläge oder ein anderer Einbau im Mischbehälter, am Hauptrahmen oder im ortsfesten Gehäuse des hohlen Rotors angeordnet sein und der zentrale Wirbel im Mischbehälter bildet sich nicht. Das Medium unterhalb des Niveaus wird überhaupt nicht gerührt sondern lediglich über das Rohr der ortsfesten Verdeckung für Zufuhr des Mediums an den Rotorboden angesaugt.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Verarbeiten fliessender, insbesondere viskoser Medien beruht auf zwei

Prinzipien, dem Prinzip eines schaufellosen Rührens und schaufellosen Pumpens jedweder fliessender Medien. Dies ermöglicht, zugleich die fliessenden Medien auf verschiedene Weise zu verarbeiten, zum Beispiel zu homogenisieren und zugleich nach oben zu pumpen und fächerweise in ein gasförmiges Medium zu zerspritzen oder schüttiges Material zu heben und zugleich durch Zerstäuben oder mittels fluider Technik zu trocknen oder zu kühlen usw.

Der beschriebene hohle Rotor kann ein Grundelement für eine Reihe von Ausführungsformen bilden, deren Konstruktionselemente an sich bekannt sind und in Kombination mit dieser Anordnung auf verschiedene Weise fliessende Medien aller Art für verschiedenste Zwecke und Fachgebiete zu verarbeiten gestatten.

Je nachdem, welcher Teil des hohlen Rotors in Kontakt mit der fliessenden Phase ist, sind zwei Anwendungen dieses Rotors möglich.

Der erste Fall kommt zustande, wenn das fiiessende Medium in den sich drehenden zylindrischen Rotor über eine Eintrittöffnung im Boden des Rotors eintritt, zum Beispiel über einen tangentialen Diffusor und über einen ähnlichen Diffusor und über eine Austrittöffnung abgeführt wird. In diesem Fall ist das Medium, zum Beispiel eine Säure, nur in Kontakt mit der Innenwand des zylindrischen Rotormantels, sodass der Rotor überwiegend die Funktion einer Pumpe ausübt. Die am Rotorboden eintretende Säure wird durch Fliehkraft gehoben und zwar über eine steigende Spirale bis zum Rotordeckel, wo sie zum Beispiel über einen tangentialen Diffusor aus dem Rotor abgeführt wird. Die äusseren Wände des Mantels oder des Rotorbodens sind also in diesem Fall nicht in Kontakt mit dem Medium, sondern zum Beispiel nur in Kontakt mit der Aussenatmosphäre.

Der zweite Fall tritt ein, wenn der erwähnte hohle Rotor mit beiden Seiten des Mantels, allfällig auch des Rotordek-kels mit der Flüssigkeit in Kontakt kommt. Dann haben diese Innenwände des Rotors, des Bodens und allfällig des Dek-kels die Funktion einer Pumpe, wie im ersten Fall, und die äusseren Wände dieser Rotorteile, die eine Reibung mit der Flüssigkeit aufweisen, arbeiten wie ein Rührgerät der Flüssigkeit.

In diesem Fall muss der hohle Rotor wenigstens teilweise in der Flüssigkeit eingetaucht sein, dabei ist es nötig, dass sich der Rotorboden mit der Eintrittsöffnung unterhalb des Niveaus der Flüssigkeit im Mischbehälter befindet.

Der hohle Rotor ist entweder ganz in der Flüssigkeit untergetaucht, dann arbeitet er wie bekannte Rührgeräte und das Rühren geschieht lediglich unterhalb des Flüssigkeitsniveaus; oder er ist nur teilweise untergetaucht, d.h. ein Teil des Rotors ragt über die Flüssigkeit hinaus. Der letzt erwähnte Fall ist insbesondere für eine Fermentation von Mikroorganismen geeignet, insbesondere von aeroben Kultiva-tionsmedien, ferner für chemische Reaktionen und Diffusionen einer flüssigen und gasförmigen Phase, für Polymerisation, Extraktion u.dgl. In diesen Fällen werden alle drei Hauptfunktionen der erfindungsgemässen Vorrichtung ausgenützt, d.h. Pumpen, Rühren und Zerspritzen.

Weitere Mischeffekte können entstehen, falls der Querschnitt durch den hohlen Rotor nicht kreisförmig ist, sondern quadratisch, elliptisch, dreieckig oder falls der Rotormantel zum Beispiel aus Wellblech gefertigt ist, der wellenförmige Erhebungen bildet. Dann können die Kanten oder Erhebungen des Mantels des hohlen Rotors wie Schaufeln eines Rührgerätes arbeiten, soweit sie ganz oder teilweise im fliessenden Medium eingetaucht sind. Im Teil oberhalb der Flüssigkeit, das ist im Gasraum, zum Beispiel in der Luft, können diese Elemente die Funktion eines Blähgerätes, eines Ventilators, eines Luft-Tropfenzerstäubers, eines Entschäumers bei biochemischen Vorgängen u.dgl. haben. Der hohle

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Rotor kann zum Beispiel auch mehrere Profile aufweisen, zum Beispiel im getauchten Teil ein kreisförmiges Profil, im Teil oberhalb der Flüssigkeit ein rechteckiges Profil oder umgekehrt und dergleichen.

Die Austrittöffnungen, zum Beispiel im Rotormantel, der als Rührgerät arbeitet, können auf verschiedene Weise ausgeführt werden, zum Beispiel auch in mehreren Reihen übereinander.

Durch die Form und Lage der Öffnungen kann der Charakter des Zerspritzens geändert werden, (wie fächerförmiges, kreuzendes Zerspritzen, in Form einer Schraubenlinie nach oben, usw.).

Die Geschwindigkeit und Menge der austretenden Flüssigkeit aus dem Rotor kann in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotors, des Durchmessers und der Höhe des Rotors und der Grösse der Eintrittöffnungen, und ferner der Entfernung der Eintrittöffnungen oder der Eintrittöffnung vom Niveau des Fermentationsmediums im Fermentar geregelt werden.

Zwecks einer Erhöhung des Druckes und der Geschwindigkeit des Zerstäubens des Mediums ist es möglich, den Rotor mittels eines Deckels zu schliessen und zutreffend die Austrittöffnungen im Deckel oder Mantel des Rotors allfällig im Boden zu verkleinern.

Austrittsöffnungen im Rotordeckel ermöglichen ein Zerspritzen des Mediums nach oben, Austrittöffnungen im Rotormantel seitwärts; im Boden dann gegen den Boden des Mischbehälters.

Um einem Zentralwirbel vorzubeugen, den die Kultiva-tionsflüssigkeit innerhalb des Behälters durch Reibung des sich drehenden Rotors in der Mitte des Behälters bilden könnte, sind im Fermentationsbehälter, vorteilhaft am Umfang des Behälters, Schikanen vorgesehen, die gegen ein Entstehen dieses Wirbels wirken. Die Schikanen bilden hier gleichzeitig Voraussetzungen für ein vollkommenes Mischen des Mediums.

Das Mischen der Flüssigkeit ist zum Beispiel beim Fermentieren in drei Arbeitsräumen des Fermentationsbehälters aufgeteilt, die einerseits in der Flüssigkeit (unter der Oberfläche) und anderseits im Gasteil oberhalb der Flüssigkeit angeordnet sind. Aus dem ersten Arbeitsraum, das ist innerhalb der gemischten Flüssigkeit, wo sich ein Zentralwirbel bildet, der zu lokalen Wirbeln, zum Beispiel durch Anschläge aufgeteilt wird, wird die Flüssigkeit in den zweiten Arbeitsraum angesaugt, das ist in das Innere des Rotors, wo das Mischen durch Wirkung des Zentrifugalfeldes vor sich geht, das die Flüssigkeit einerseits zu einer schwereren und leichteren Phase aufteilt, und wieder mischt, anderseits sie über eine steigende Spirale hebt, worauf die Flüssigkeit in den dritten, Gas enthaltenden Arbeitsraum oberhalb der Flüssigkeit frei fächerförmig verspritzt wird, wo sie dann frei in Form feiner Tropfen zurück auf die Flüssigkeitsoberfläche fällt, oder in die Flüssigkeit zurückfliesst, zum Beispiel entlang der Wände des Fermentationsbehälters in Form eines dünnen Flüssigkeitsfilmes.

Im Gas enthaltenden Raum, wo das fliessende Medium die Form feiner Tropfen, von Nebel oder einer dünnen Filmschicht erhalten hat, kommt es zu einem intensiven Kontakt der flüssigen und gasförmigen Phase ohne Rücksicht auf den Charakter der Flüssigkeit im Fermentar und zu einem maximalen Wachsen kultivierter Mikroorganismen, die dann im Raum unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche maximal gedeihen.

Die Intensität der Vorgänge können wir in beiden Fällen insbesondere durch die Drehzahl des Rotors, durch dessen Abmessungen, durch die Grosse der Eintritts- und Austrittsöffnungen und durch den Grad des Tauchens des ganzen Rotors unter der Flüssigkeitsoberfläche beeinflussen.

Der Fermentor kann auch mit der üblichen Ausstattung versehen sein z. B. mit einem weiteren Rührer, einem Propel-lerrührer u.dgl., einem Entschäumer, Temperaturregler, Thermometer, Analysator des Mediums, z. B. einem pH-Meter, einer Prüfsonde, einem Dosiergerät von Nährstoffen, von 02, C02 und dergleichen.

Ein mechanischer Schaumbrecher kann auch am Rotor vorgesehen werden, z.B. in Form von Stäben, die durch die Wände des Rotormantels unter dem Deckel führen, oder als ein erweiterter Rotordeckel, der vom Rotor in den Gasraum des Mischbehälters oberhalb der Flüssigkeit ragt.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ermöglicht eine vollkommene Rezirkulation des fliessenden Mediums im Fermentor ohne Rücksicht auf die Viskosität. Sie verbürgt eine grosse Kontaktoberfläche der Flüssigkeit und des Gases, und zwar auch bei sehr viskosen Flüssigkeiten. Sie ermöglicht ferner ein Verspritzen dieses Mediums im Raum oberhalb der Fermentationsflüssigkeit (in die Gasphase), und sie beschränkt selbsttätig das Schäumen im Raum oberhalb der flüssigen Phase bis zur Höhe des Verspritzens. Ein weiterer Vorteil ist es, dass sie den Auftrieb einer festen Phase auch in hochviskosen Medien durch den Saugeffekt der Eintrittsöffnung des Rotors sichert.

Der Antrieb des Rotors kann von unten oder oben ausgeführt werden, d.h. vom Boden oder Deckel des Fermentars.

Der Fermentor weist eine grosse energetische Einsparung (bis 30%) gegenüber bestehenden Fermentoren auf.

Ein Vorteil ist es ferner, dass im Vergleich zu bestehenden Typen von Fermentoren, wo die Zellen der Mikroorganismen nur in der gerührten unteren flüssigen Phase wuchsen, das Wachstumsmedium bei der erfindungsgemässen Vorrichtung vorzugsweise fortlaufend durch alle drei Arbeitsräume durchtritt und ohne Rest den ganzen Raum des Fermentationsbehälters bei grosser Kontaktoberfläche füllt. Das ermöglicht z. B. ein vollkommenes Oxydieren der wachsenden Zellen der Mikroorganismen (Bakterien, Hefe, Schwämme, Algen u.dgl.). Eine Folge dessen ist ein Verkürzen der Fermentationszeit und ein Erzielen eines höheren Verdickens des Endproduktes im Vergleich mit bestehenden bekannten Typen ähnlicher Anordnungen.

Ein Vorteil ist ferner die leichte Regelbarkeit des Fermentationsbetriebes während verschiedenen Fermentationsphasen und ein behutsames Rühren der Zellen der Mikroorganismen (zum Beispiel bei der Erzeugung von Antibiotika), denn es kommt zu keinem grösseren Beschädigen dieser Zellen, wie zum Beispiel bei Schaufel- oder Turbinenrührern, die in Fermentationsbehältern installiert sind.

Falls wir nur eine Pumpenfunktion der Vorrichtung im Auge haben (erster Fall, siehe oben), ist es vorteilhaft, wenn der Boden und der Deckel des Rotors eine Kreisringform mit einer zentralen Öffnung für die Zufuhr und Abfuhr des flüssigen Mediums in und aus dem Rotor besitzt, wobei diese Öffnungen mit Diffusoren für ein Gleichrichten des in den Rotor eintretenden und aus dem Rotor austretenden Mediums versehen sind.

Der hohle Rotor der schaufellosen Pumpe, der üblich die Form eines niedrigen oder hohen hohlen Zylinders mit vertikaler Drehachse und horizontalem Boden besitzt, ist im wesentlichen ein rotierender Behälter mit Öffnungen. Die Form eines derartigen Behälters kann allerdings beliebig sein (ein rotierender Kegel, Zylinder, Polyeder u.dgl.) ebenso wie die Richtung der Drehachse (vertikal, geneigt, horizontal).

Der Rotor hat hier eine ähnliche Funktion wie ein Schaufellaufrad bekannter Zentrifugalpumpen. Seine Aufgabe ist es, dem gepumpten Medium kinetische Energie zu übermitteln, die Funktion beruht jedoch auf einem anderen hydrodynamischen Prinzip, also nicht auf der hydrodynami-

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sehen Wirkung der Schaufeln des Laufrades, das in einem ortsfesten Gehäuse der Pumpe eingeschlossen ist.

Während das Schaufelrad am Umfang offen ist und die Bewegungsenergie durch Reibung an der inneren ortsfesten Wand des Pumpengehäuses, durch Turbulenz an den Schaufeln und ferner durch Schlupf der Flüssigkeit in der Fuge zwischen der Gehäusewand und den Schaufeln vernichtet wird, besitzt der erfindungswesentliche hohle Rotor diese Nachteile nicht.

Das fliessende Medium, zum Beispiel eine Flüssigkeit, das mit einer Null-Winkelgeschwindigkeit in den Boden des Rotors eintritt, gelangt bei der erfindungsgemässen Vorrichtung durch Fliehkraft fast augenblicklich in einen rotierenden Flüssigkeitsring (ein Flüssigkeitsparaboloid), dessen Höhe der Höhe des Rotors entspricht, der hier schon durch Fliehkraft aus einer früher in den Rotor zugeführten Flüssigkeit ausgebildet wurde. Das Medium übernimmt die kinetische Energie und die Winkelgeschwindigkeit die dem Rotormantel entspricht auch falls die äusseren Wände des Roto rmantels nicht ganz glatt sind. Diese können jedoch aufgerauht werden oder mit Erhebungen, Leisten, Nuten u.dgl. versehen werden.

Der Flüssigkeitsring stellt angenähert einen zentralen steigenden Wirbel vor, der sich bis zur Höhe der gepumpten Flüssigkeit bildet. Der Wirbelfaden bildet eine stabile steigende Schnecke. Wegen der grosser Fliehkräfte entstehen in diesem Wirbel fast keine Verluste und störende hydrodynamische Momente durch Turbulenz, Reibung gegen ortsfeste Wände, nichtproduktives Wirbeln u.dgl. Es handelt sich um eine natürliche Bewegung. Der zentrale Wirbel in Form eines Flüssigkeitsringes ist vollkommen symmetrisch und regelmässig und dessen Fliessen kann im oberen Teil des Rotors mittels eines Austrittdiffusors, zum Beispiel in eine Pumpen-Druckleitung u.dgl. abgezogen werden, wobei die Verluste im ortsfesten Austrittdiffusor verhältnismässig gering sind (etwa 7%).

Diese Umstände verursachen auch einen hohen Wirkungsgrad dieser schaufellosen Pumpe und einen sehr niedrigen Bedarf elektrischer Energie für den Antrieb des Rotors. Beim Bilden des Kreisringes entstehen nur kleine hydrome-chanische Widerstände, die überwunden werden müssen.

Beispiel praktischer Anwendungen der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Verarbeiten fliessender Medien sind in beiliegenden Zeichnungen schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt eine Gesamtansicht einer Vorrichtung in der Funktion einer Pumpe, in vertikalem Längsschnitt.

Fig. 2 eine ähnliche Gesamtansicht einer Vorrichtung in der Funktion eines klassischen Rührgerätes, eines Disperga-tors, Emulgators, Homogenisators u.dgl. die im betreffenden Medien getaucht ist.

Im Vergleich zur vorerwähnten Pumpe ist hier das Medium nicht nur in Kontakt mit den Innenwänden der Anordnung, sondern gleichzeitig auch mit den Aussenwänden des hohlen Rotors, insbesondere mit dem Mantel und dem Boden und ist vollkommen unter der Oberfläche des Mediums im Mischbehälter eingetaucht.

Fig. 3 zeigt eine andere Art einer Vorrichtung in welcher eine Flüssigkeit unter deren Oberfläche gerührt, jedoch gleichzeitig in Form von Tröpfchen in den Raum oberhalb der Flüssigkeit verspritzt wird (wo sich zum Beispiel die Flüssigkeit oxidiert u.dgl.).

Fig. 4 ist eine Draufsicht des Bodens des Rotors in Form eines Kreisringes mit einer zentralen Öffnung.

Fig. 5 ist eine Draufsicht eines Bodens des Rotors, wobei mehr Eintrittöffnungen symmetrisch um die Mitte ausserhalb des Umfangsteiles des Bodens angeordnet sind.

Fig. 6 zeigt schematisch in vertikalem Längsschnitt ein Beispiel einer typischen Vorrichtung für Fermentation von

Mikroorganismen. Bei einer Vorrichtung sind alle drei Funktionen des hohlen Rotors, d.h. ein schaufelloses Mischen, Pumpen und Zerspritzen des fliessenden Mediums verwirklicht.

Fig. 7 zeigt in vertikalem Längsschnitt einen übertragbaren Rührer, der im Unterschied zu dem Rührer nach Fig. 6 in einem ortsfesten Gehäuse gelagert ist, dessen Teile auch Anschläge in Form von Stäben sind.

Fig. 8 zeigt dieselbe Ansicht einer schaufellosen Pumpe, die in einem ortsfesten Gehäuse gelagert ist, dessen unterer Teil eine ortsfeste Verdeckung bildet, die den unteren, unter der Oberfläche des Mediums getauchten Teil des Rotors umgibt.

Die schaufellose Pumpe nach Fig. 1 besitzt einen hohlen Rotor 1, dessen Antriebswelle 2 im oberen Teil mit der Welle eines Antriebselektromotors 18 verbunden ist, der dem Rotor 1 Drehungen übermittelt. Der Elektromotor 18 ist am Hauptrahmen 3 der Pumpe befestigt. Der Rotor 1 ist mittels seiner Lager am Rahmen 3 gelagert, hat die Form eines hohlen Zylinders und ist mit der Welle 2 mittels Streben 19 verbunden. Der Rotor 1 ist ferner am unteren Ende mit einem Boden 4 und am oberen Ende mit einem Deckel 5 versehen, die in der Mitte jeweils eine kreisförmige Öffnung 6 bzw. 7 besitzen, sodass diese beiden Teile eine ringförmige Form haben.

Am unteren und oberen Teil des Rahmens 3 ist ein unterer und oberer tangentialer Gleichricht-Diffusor 8, bzw. 9 befestigt. Der untere Diffusor 8 hat einen Eintritt 10 und Austritt 11, der obere Diffusor 9 einen Eintritt 12 und Austritt 13. Beide Gleichricht-Diffusoren 8 und 9 werden durch ein steigendes Rohr gebildet, das die Form einer Schlinge hat und deren Durchmesser gemäss der geforderten Leistung der Pumpe gewählt wird. Beim unteren Gleichricht-Diffusor 8 wird die Schlinge unter dem Boden 4 geführt, führt durch die kreisförmige Öffnung 6 und endet dicht oberhalb des Bodens 4 über einem fächerförmig verengten Austritt 11 am Boden 4.

Beim oberen Diffusor 9 befindet sich der Eintritt 12 des Mediums, das im Rotor 1 rotiert. Die Schlinge führt dann durch die kreisförmige Öffnung 7 nach oben und tritt aus dem oberen Diffusor 9 über den Austritt 13 aus.

Die gepumpte Flüssigkeit, zum Beispiel Wasser, fliesst über eine Zufuhr-Rohrleitung in den unteren Diffusor 10 und tritt theoretisch mit Nullgeschwindigkeit über den tangentialen fächerförmigen Austritt 11 am Boden 4 des Rotors 1 ein. Während kurzer Zeit bildet sich durch Rotation der Flüssigkeit innerhalb des Rotors ein Flüssigkeitsring (ein Oberflächenparaboloid), dessen Winkelgeschwindigkeit der Rotation ungefähr der Winkelgeschwindigkeit der Rotation des Rotormantels entspricht.

Sobald sich der eintretende Wasserstrom mit dem rotierenden Flüssigkeitsring im hohlen Rotor 1 mischt und die benötigte Energie und so auch den zentrifugalen Druck erzielt, wird das Wasser an der Innenwand des Rotors 1 entlang einer Hebespirale fortlaufend gegen den oberen Teil des Rotors 1 gehoben, die dicht dem Deckel 5 über den Eintritt 12 in die Schlinge des oberen Diffusors 9 eintritt und über den Austritt 13 des oberen Diffusors 9 austritt.

Eine Bedingung des kontinuierlichen Pumpens der Flüssigkeit ergibt sich in dem die Flüssigkeit über beide Diffusoren 8 und 9 in Richtung der Rotation des Rotors 1 fliesst.

Fig. 2 zeigt eine Gesamtansicht einer erfindungsgemässen Vorrichtung in vertikalem Längsschnitt, die die Funktion eines klassischen, vollständig getauchten Rührers erfüllt an welcher jedoch auch die Funktion einer Pumpe vorliegt, sodass sich beide Funktionen kombinieren.

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Diese Vorrichtung besitzt einen hohlen Rotor 1, dessen Querschnitt kreisförmig ist und dessen Boden 4 mit vier kreisförmigen Eintrittöffnungen 6 versehen ist.

Der Rotor 1 hat keinen Deckel und ist oben offen. Im Mantel 14 des Rotors 1 sind kreisförmige Austrittöffnungen 28, in welchen allfällig Düsen 15 eingesetzt sind. Die untere Reihe der Düsen 15 hat eine seitliche Austrittöffnung entgegengesetzter Richtung als die Rotation des Rotors 1.

Im Mischbehälter 16 sind ferner vertikale Anschläge 17 unter dem Niveau des Mediums vorgesehen, die in Richtung der Rotorachse angeordnet sind und am Mantel des Mischbehälters 16 befestigt sind.

Der hohle Rotor bildet in diesem Fall zwei Arbeitsräume — im Mischbehälter 16 und im Rotor 1. Die Flüssigkeit wird in den Rotor 1 über vier Eintrittöffnungen 6 im Boden 4 des Rotors 1 angesaugt, und falls das Gesamt-durchfluss-profil aller vier Öffnungen gegenüber der Durchflussfläche des Rotors 1 selbst im oberen Randgebiet klein ist, tritt die Flüssigkeit in den Rotor 1 auch über den oberen offenen Teil des Rotors 1 über dessen Mitte ein.

Die im Rotor 1 sich befindende Flüssigkeit wird dabei durch Fliehkraft entlang einer steigenden Spirale an den Innenwänden des Mantels 14 gehoben (gepumpt) und gelangt entweder über die Oberkante des Rotors 1, oder über Austrittöffnungen 28,29 im Mantel 14 oder im Boden 4 oder über Düsen 15 im Mantel 14 zurück in die Flüssigkeit. Austrittöffnungen 28,29, Düsen 15 u.dgl. die unterhalb des Niveaus des Mediums vorgesehen sind, verbessern das Mischen der flüssigen Phase, da sie es ermöglichen, das Medium unter Druck in das Medium unter dem Niveau einzuspritzen. Gleichfalls kann im Rotor 1 ein Aufteilen schwererer und leichterer Fraktionen Zustandekommen. Soweit derartige unterschiedlich schwere Fraktionen im Medium vorhanden sind, werden sie wieder nach dem Austritt aus dem Rotor 1 vermischt. Ausserhalb des Rotors 1 wird dann die Flüssigkeit durch Reibung der Aussenwände 14 des Rotors 1 gegen die Flüssigkeit gemischt, die sich im Mischbehälter 16 befindet. Der Rotor 1 ist im Behälter 16 exzentrisch gelagert, es entsteht im Behälter ein exzentrischer Wirbel, der jedoch durch Anschläge 17 beruhigt wird, wobei um diese Anschläge in Rotationsrichtung lokale Wirbelfelder entstehen. Falls der Querschnitt des Rotors 1 die Form eines Rechteckes, Dreieckes, Viereckes, einer Ellipse o.dgl. besitzt, also nicht kreisförmig ist, wie dies der Fall beim zylindrischen Rotor ist (dieselbe Form hätte auch der Boden 4 allfällig auch der Deckel 5), dann würden Kanten, allfällig die Gesamtform des Rotors 1 unterhalb der Oberfläche des Mediums einen weiteren Mischeffekt verursachen, der ähnlich wäre wie zum Beispiel beim Schaufelrühren.

Fig. 3 zeigt im vertikalen Achsialschnitt ein Mischgerät, das vollkommen im fliessenden Medium getaucht ist, das homogenisiert werden soll.

Von der vorangehenden, in Fig. 2 dargestellten Alternative unterscheidet es sich dadurch, dass der Deckel 5 des Rotors 1 sich mit zwei Düsen 15 an seinem Umfang im Niveau der Oberfläche des Mediums im Mischbehälter 16 befindet. Am Mantel 14 oder Boden 4 des Rotors 1 sind keine Düsen 15 oder Austrittöffnungen 28,29 vorgesehen, sodass der untere, eingetauchte Teil des Mischgerätes im Medium einen gestörten zentralen Wirbel bildet, so dass kleine lokale Wirbel an den Anschlägen 17 entstehen, während das aus dem Inneren des Rotors 1 austretende Medium oberhalb der Flüssigkeit durch Düsen 15 am Deckel 5 in Form eines rotierenden spiralförmigen Tropfenwirbels zerspritzt wird.

Das Mischgerät ist in der Mitte des Mischbehälters 16 angeordnet und verwendet ein unteres Mischsystem. Die vertikale Welle 2 des Mischgerätes führt durch den Boden des Mischbehälters und ist im Boden abgedichtet. Mittels einer Strebe 19 und des Deckels 5 ist die Welle 2 mit dem hohlen Rotor 1 verbunden. Im Mischbehälter 16 sind vertikale Anschläge 17 vorgesehen, die am Mantel des Mischbehälters 16 befestigt sind und ein Bilden eines zentralen Wirbels im Mischbehälter 16 verhüten. In einer Anordnung sind hier mehrere Funktionen vereinigt, ein schaufelloses Mischen, schaufelloses Pumpen und Verspritzen des Mediums in den Gasraum oberhalb der Oberfläche des Mediums.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht eines Bodens 4 in Form eines Kreisringes mit einer zentralen Eintrittöffnung 6 in der Mitte, Fig. 5 einen Boden 4 mit mehreren Eintrittöffnungen 6, die symmetrisch um die Mitte des Bodens 4 ausserhalb des Umfangsteiles des Bodens 4 angeordnet sind.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung für Fermentation oder Kultivation von Mikroorganismen, wo sich bei Anwachsen der Zellen das Kultivationsmedium verdickt und gegen Ende der Fermentation aus der ursprünglich dünnflüssigen Flüssigkeit eine Flüssigkeit mit einer honigarten oder puddingartigen Konsistenz entsteht.

Die Vorrichtung besteht aus einem Fermentationsbehälter 20, der mit einem Boden und einem Deckel versehen ist, in denen Lager 21 eines hohlen Rotors 1 mit einer vertikalen Welle 2 angeordnet sind. Ein Teil des Rotors 1 bildet einen Saugansatz 24, in welchen sich die Eintrittöffnung 27 befindet.

Der Rotor 1 besitzt ferner einen zylinderförmigen Mantel 14 und einen kreisförmigen Boden 4 mit einer zentralen Eintrittsöffnung 6 für den Eintritt des Mediums in den Rotor 1. Im Mantel 14 ist eine Reihe von Öffnungen 28 für den Austritt des Mediums aus dem Rotor 1 vorgesehen. Die oberen Öffnungen 28 haben die Form von Düsen 15. Die Welle 2 wird durch einen Elektromotor 18 mit einem Drehzahlregler angetrieben. Die Welle 2 ist mit dem Mantel 14 des Rotors 1 mittels kreuzförmigen Streben 19 verbunden.

Innerhalb des Fermentationsbehälters 20 sind an dessen Umfang symmetrisch zur Achse vier Anschläge 17 in Form von vertikalen Stangen vorgesehen. Sie sind am Boden und am Deckel des Fermentationsbehälters 20 befestigt. Die Anschläge 17 verhüten das Entstehen eines zentralen Wirbels, der sonst im Fermentationsbehälter durch den sich drehenden Rotor entstehen würde.

Der Fermentationsbehälter 20 hat zwei Hauptarbeitsräume, einen unteren flüssigen und einen oberen gasförmigen. Ein dritter Arbeitsraum ist innerhalb des Rotors angeordnet. Beim Drehen des zylindrischen Rotors 1, der mit seinem unteren Teil in der Flüssigkeit eingetaucht ist, tritt das flüssige Medium über die zentrale Öffnung 6 im Boden 4 in den Rotor 1 ein und wird entlang einer steigenden Spirale gehoben über Austrittöffnungen 28 im Mantel 14 oder über Düsen 15 wird das flüssige Medium in Form von Tropfen aus dem Rotor 1 zurück in den Fermentationsbehälter 20 und zwar in dessen oberen Gas enthaltenden Arbeitsraum verspritzt. Beim Anprallen an einen ortsfesten Anschlag 17 innerhalb des Behälters 20 oder an die Innenwand des Fermentationsbehälters 20 kommt es zu einem Zersplittern der Tropfen, worauf die Flüssigkeit entlang der Wände des Fermentationsbehälters 20 in Form eines dünnen Films herabfliesst und über die Oberfläche der Flüssigkeit wieder in die sich im unteren Teil des Fermentationsbehälters 20 befindende Flüssigkeit eintritt.

Im Gas enthaltenden Arbeitsraum kommt es dabei zu einer intensiven Diffusion von Gas in das flüssige Medium, zum Beispiel zu einem intensiven Oxydieren der wachsenden Zellen von Mikroorganismen, die im Fermentationsbehälter 20 fermentiert werden.

Im Flüssigkeitsraum kommt es auch durch Rotation des unteren Teiles des Rotors 1, der in der Flüssigkeit einge5

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taucht ist, zu einem intensiven Mischen des Kultivationsme-diums.

Bei einem bestimmten Einstellen der Düsen 15 oder der Austrittöffnungen 28 im Mantel 14 und bei einer geeigneten Winkelgeschwindigkeit der Rotordrehung entsteht in der sich im Inneren des Rotors 1 befindlichen Flüssigkeit ein nötiger Druck durch Fliehkraft, sodass der Austritt des flüssigen Mediums unter diesem Druck oberhalb des Niveaus des Mediums, zum Beispiel für eine Desintegration des gebildeten Schaumes während der Fermentation ausgenützt werden kann, was zum Erhöhen des Wirkungsgrades der Fermentation und auch zum Herabsetzen der energetischen Ansprüche beiträgt, sodass es nicht nötig wird, eine Entschäu-mungsflüssigkeit oder weitere energetisch anspruchsvolle Entschäumungseinrichtungen anzuwenden.

Der Fermentationsbehälter 20 hat eine besondere Form des Bodens. In der Mitte des Bodens befindet sich eine Vertiefung, in welcher der hohle Rotor 1 mit seinem unteren Teil, der einen unteren Ansatz 24 bildet, eingeschoben ist. Der Ansatz 24 sichert ein vollkommenes Ansaugen des flüssigen Mediums vom Boden des Fermentationsbehälters 20.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Fermentation kann zur Fermentation aller Arten von Medien angewendet werden und zwar sowohl niederviskoser als auch hochviskoser, ferner von Medien, die während der Fermentation die Viskose ändern oder Suspensionen mit stückartigen oder fa-serförmigen Produkten bilden und für alle Flüssigkeiten der nicht-newtonischen Art.

Fig. 7 zeigt schematisch ein übertragbares Mischgerät, das in einem ortsfesten Behälter 23 gelagert ist. Im Mantel des Behälters 23 sind Anschläge 17 angeordnet und zwar im unteren Teil des Behälters 23 zum Bilden lokaler Wirbel und Turbulenzen im flüssigen Teil des gemischten Mediums und im oberen Teil des Behälters 23 zum Zersplittern des aus den Austrittöffnungen 28 im Raum oberhalb der Niveaus austretenden Mediums zu feinen Tropfen. Die Anschläge 17 im oberen und unteren Teil des Behälters 23 sind durch Säulen 22 verbunden.

Der untere Teil des Rotors 1 ist in der Flüssigkeit im Mischbehälter 20 eingetaucht, der obere Teil ragt über die Flüssigkeit hinaus. Der obere Rand des Rotors 1 ist durch einen Deckel 5 verschlossen. Die Welle 2 ist am Deckel 5 des Rotors 1 und mittels einer Strebe 19 mit dem Mantel 14 des Rotors 1 verbunden.

Die Wirkungsweise des Mischgerätes ist analogisch wie nach Fig. 6. Die Anschläge 17 (Einbauten) sind jedoch ein Bestandteil des Behälters 23 des Rotors 1 und nicht des Mischbehälters 20.

Diese Vorrichtung ist ähnlich wie die oben beschriebene auch für die Polymerisation und für andere chemische Reaktionen dünnflüssiger und auch hochviskoser flüssiger Medien zum Verarbeiten von schlammigen und Industrie-Abfallwässern u.dgl. geeignet.

Fig. 8 zeigt eine schaufellose Pumpe, die das gehobene

Medium zu den Seiten verspritzt. Sie ist in einem ortsfesten Behälter 23 gelagert, dessen unterer Teil eine teilweise ortsfeste Verdeckung 25 bildet, die den unteren, unter dem Niveau getauchten Teil des hohlen Rotors 1 umgibt, wodurch er ei-5 nen Kontakt der Aussenwand des Mantels 14 und des Bodens 4 des rotierenden hohlen Rotors 1 mit dem flüssigen Medium unterhalb seines Niveaus verhindert. Anschläge 17 befinden sich nur im oberen Teil des Behälters 23.

Die Verdeckung 25 hat unterhalb des Niveaus eine ähnli-lo che Funktion wie die Anschläge 17 oder einen anderen Einbau unter dem Niveau des Mediums, denn sie verhütet das Entstehen eines zentralen Wirbels im flüssigen Medium. In diesem Fall wird das Medium im unteren Teil nicht durch Kontakt der Aussenwände des Mantels 14 gemischt, und der 15 Rotor 1 hat vor allem die Funktionen einer selbstansaugenden Tauchpumpe, bei der das gehobene Medium in der betreffenden Höhe in die Umgebung verspritzt wird. Tm unteren Teil des Behälters 23 kann ein Saugkorb vorgesehen sein, der eine Filtrierfunktion hat.

20 Die in Fig. 8 dargestellte Vorrichtung kann zum Beispiel in der fluiden Technik Anwendung finden, zum Kühlen von Flüssigkeiten, zum Trocknen pulverförmiger Medien, zum Befeuchten des Erdbodens u.dgl.

Die Vorrichtung ist vielseitig verwendbar. Entscheidend 25 ist, in welchem Medium der Rotor arbeitet, ob er nicht getaucht ist, zum Beispiel in einer Flüssigkeit (als Pumpe), oder ob er in der Flüssigkeit vollständig eingetaucht ist (vollkommen eingetauchtes Mischgerät), oder ob er in der Flüssigkeit nur teilweise eingetaucht ist (zum Beispiel beim Fermentor 30 für Kultivation von Mikroorganismen). Sie kann für verschiedene Verfahren zum Verarbeiten fliessender oder flüssiger Medien jedweder Konsistenz, insbesondere in der Chemie, Pharmakologie, Maschinenbau, Heiztechnik (Wärmevermittler), Reinigungsanlagen von Wassern, Wasserwer-35 ken, bei der Erzeugung von Farben und Lacken, aber auch in anderen Industriebetrieben und in der Landwirtschaft (Befeuchten, Trocknen von Futtermaterial, von Getreide, Dosieren von Futtermaterial, von flüssigem Düngermaterial u.dgl.) angewendet werden.

40 Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann wegen der Einfachheit ihrer Konstruktion auch zum Verarbeiten aggressiver Flüssigkeiten (Säuren, Laugen), allfällig auch Gasen verwendet werden. In den erwähnten Fachgebieten ist sie sowohl als Betriebs- als auch als Laboratoriumsvorrichtung 45 anwendbar.

Die Vorrichtung kann unter beliebigen Bedingungen, zum Beispiel Temperaturen, Drücken oder im Vakuum, in einem elektrischen, magnetischen oder anderem Kraftfeld usw. arbeiten.

so Ein weiterer Vorteil ist es, dass der Rotor einfacher Konstruktion ist und seine Fertigung weniger Arbeitsaufwand und Anforderungen als ähnliche Vorrichtungen erfordert. Eine Serienerzeugung könnte zum Beispiel aus geeignetem Kunststoff in Spritzgiesstechnik erfolgen.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

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1. Vorrichtung zum Verarbeiten von fliessenden, dünnflüssigen bis sehr viskosen Medien, insbesondere für eine Fermentation von Mikroorganismen, deren Bestandteil ein Behälter ist, aus dem gepumpt wird oder in welchem das Medium gemischt wird und ferner Elemente für Mischen oder Pumpen dieses Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen hohlen Rotor (1) besitzt, der durch eine Antriebseinheit angetrieben wird und der durch einen Mantel (14) und einen Boden (4) gebildet wird, wobei der Boden (4) des Rotors (1) mit wenigstens einer Eintrittöffnung (6) für die Zufuhr des Mediums aus dem Behälter (16,20) versehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (4) die Form eines Kreisringes mit einer zentralen Öffnung (6) hat oder im Boden (4) mehrere Eintrittöffnungen (6) ausserhalb des Umfangteiles vorgesehen sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) mit einem Deckel (5) versehen ist, wobei im Deckel (5), im Mantel (14) und oder im Boden (4) des Rotors (1) Austrittöffnungen (7) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Austritt- oder Eintrittöffnungen (7, 6) verschiedene Form aufweisen oder mit Düsen (15), Diffusoren (8, 9) oder anderen Ansätzen (24) versehen sind, die das Strömen, die Menge und Form des über Öffnungen (6,7) austretenden oder zugeführten Mediums beeinflussen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (4) und der Deckel (5) kreisförmig sind und mit einer zentralen Öffnung (6, 7) für die Zufuhr und Abfuhr des Mediums in und aus dem Rotor (1) versehen sind, wobei die Öffnungen (6, 7) mit Diffusoren (8,9) zum Gleichrichten des in den Rotor (1) eintretenden und aus dem Rotor austretenden Mediums versehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Fermentationsoder Mischbehälters (20, 16) Anschläge (17) oder ein anderer Einbau im Raum unter dem Niveau und/oder oberhalb des Niveaus des Mediums befestigt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2) des Rotors (1) am Hauptrahmen (3) im Mischbehälter (16,20) oder in einem ortsfesten Behälter (23) des Rotors (1) drehbar gelagert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Anschläge (17) oder ein Saugkorb Teile des ortsfesten Behälters (23) sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Teil des Rotors (1), der für ein Eintauchen in das Medium bestimmt ist, von einer ortsfesten Verdeckung (25) umgeben ist, die ein Rohr (26) für die Zufuhr des Mediums am Boden (4) des Rotors (1) aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfeste Verdeckung (25) am Hauptrahmen (3) der Vorrichtung, am Mischbehälter (16,20) befestigt ist oder ein Teil des ortsfesten Behälters (23) ist, in welchem der Rotor (1) gelagert ist.