DE19703142A1 - Reaktionsvorrichtung zur Durchführung biochemischer Reaktionen - Google Patents

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Reaktionsvorrichtung zur Durchführung biochemischer Reaktionen, bei denen Mikro­ organismen, insbesondere Hefen, Pilze oder Bakterien, dem zu behandelnden Material zum Abbau organischer Reststoffe unter Gasbildung zugeführt werden, mit einem Behältnis, einem Zulauf, einem Ablauf, einer die entstehenden Gase abführenden Gasleitung und einer innerhalb des Behältnis angeordneten Homogenisierungseinrichtung.

Derartige Reaktionsvorrichtungen werden speziell bei anaero­ ben Verfahren häufig Fermenter genannt. Ein Fermenter bildet das Herzstück einer Vergärungsanlage, in der feuchte organi­ sche Reststoffe vergoren werden. In einem Fermenter werden in einem anaeroben Verfahren organische Reststoffe mittels Bak­ terien abgebaut, wobei das entstehende Methan-Gasgemisch bei­ spielweise in angeschlossenen Kraftwerksanlagen oder Gasag­ gregaten genutzt wird. Als zu behandelndes Material kommen beispielsweise Großküchenabfälle, Abfälle aus der Landwirt­ schaft, feuchte Fraktionen aus der Biotonne, Markabfälle o. ä. in Betracht. Der am Ende der Vergärung anfallende wäßrige Rohkompost kann in der Landwirtschaft als Wirtschaftsdünger oder nach Entwässerung in einem Separator mit seiner festen Fraktion zu Kompost verarbeitet werden.

STAND DER TECHNIK

Es sind Reaktionsvorrichtungen zur Durchführung biochemischer Reaktionen der eingangs genannten Art bekannt, deren Form des Behältnis als Topf ausgebildet ist. Innerhalb des Topfes ist ein Rührwerk angeordnet, das um eine Drehachse rotierend vor­ handen ist, die im wesentlichen vertikal angeordnet ist.

Darüberhinaus ist es bekannt, Betontanks in liegender Anord­ nung mit zu behandelndem Material zu befüllen.

Bei der Verarbeitung organischer Rohmaterialien in Vergä­ rungsanlagen, kann es in Abhängigkeit der Rohmaterialzusam­ mensetzung und Fermenterbeschickung zu Schaumbildung kommen. Diese Schaumbildung erschwert die Trennung Gasphase/Flüssig­ keitsphase deutlich und kann zur Störung im Gassystem durch das Eindringen von Schaum in das Gassystem führen. Desweite­ ren ist zu beachten, daß mit dem zu bearbeitenden Rohmaterial in geringen Mengen Sand, Erde, Knochensplitter oder ähnliches mehr oder minder festes Material in den Fermenter eingetragen wird. Diese werden nicht vollständig mit dem Gärrest ausge­ tragen, da sie sich aufgrund ihrer größeren Dichte am Fer­ menterboden absetzen. Dies führt zu Verschlammung des Fermen­ ters und damit zu einer Reduzierung des nutzbaren Fermenter­ volumens und kann zu Schäden an der Homogenisierungseinrich­ tung führen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe bzw. das techni­ sche Problem zugrunde, eine verbesserte Reaktionsvorrichtung anzugeben, die eine optimale Fermentierung gewährleistet, und eine dauerhaft zuverlässige und störungsfreie Funktion ermög­ licht.

Die erfindungsgemäße Reaktionsvorrichtung zur Durchführung biochemischer Reaktionen ist durch die Merkmale des unabhän­ gigen Anspruchs 1 gegeben. Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildung sind Gegenstand weiterer unabhängiger und abhängiger Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Reaktionsvorrichtung zur Durchführung biochemischer Reaktionen der eingangs genannten Art zeichnet sich demgemäß dadurch aus, daß das Behältnis liegend angeord­ net ist, d. h. einen im wesentlichen horizontalen Material­ fluß ermöglicht, eine Portioniereinrichtung vorhanden ist, die das zu behandelnde Material nach vorgebbaren Zeitinter­ vallen über den Zulauf dem Behältnis portionsweise zuführt, wodurch das eingefüllte Material in vorgebbaren Zeittakten innerhalb des Behältnis weitergefördert wird und mehrere in Materialflußrichtung hintereinander angeordnete Sperrwandein­ richtungen mit Durchlässen vorhanden sind, die eine gewisse Pfropfbildung des eingefüllten Materials bewirken.

Eine derartige Vorrichtung gewährleistet bei relativ geringem apparativen Aufbau eine hohe Wirtschaftlichkeit durch eine optimale Biogasausbeute.

Um eine problemlose Sammlung des entstehenden Gases in defi­ nierten Bereichen, insbesondere in einem in der Nähe des Ablaufs oberseitig angeordneten Dom ist es vorteilhaft, das Behältnis in Materialtransportrichtung leicht ansteigend anzuordnen.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Reaktionsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Homo­ genisierungseinrichtung mehrere in Längsrichtung des Behäl­ ters beabstandet zueinander angeordnete Homogenisierungsein­ heiten aufweist. Hierbei können in einer besonders vorteil­ haften Ausführungsvariante die Paddelelemente in Längsrich­ tung von Rührwerk zu Rührwerk versetzt in Form einer Helix angeordnet sein.

Ein besonders guter Homogenisierungsgrad läßt sich dadurch erreichen, daß die Paddelelemente so ausgestaltet sind, daß sie sich in Längsrichtung des Behälters bereichsweise über­ lappen, wobei dies auf die Rührwerke zutrifft, zwischen denen keine Sperrwandeinrichtung vorhanden ist. Im Fall des Vorhan­ denseins einer Sperrwandeinrichtung reichen die Paddelele­ mente jeweils bis kurz vor die Außenkontur der Sperrwandein­ richtung heran.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Homogenisierungseinheit als Rührwerk mit horizontal drehbar gelagerter Welle und radial abstehenden Paddelelemen­ ten ausgebildet ist. Diese Rührtechnik gewährleistet einen hohen Abbaugrad der organischen Substanz.

Eine besonders bevorzugte erfindungsgemäße Ausbildung, die insbesondere das Problem der Schaumbildung löst, zeichnet sich dadurch aus, daß in dem Bereich, in dem sich das entste­ hende Gasgemisch sammelt, eine Meßeinheit zum Feststellen des Vorhandenseins von Schaum und eine Sprüheinheit zum Besprühen des eventuell vorhandenen Schaums mit Flüssigkeit vorhanden ist, wobei die Meßeinheit bei Vorhandensein von Schaum ein Meßsignal an eine Steuereinrichtung abgibt, die daraufhin die Sprüheinheit aktiviert.

Wenn keine Schaumbildung vorhanden ist, befindet sich im Fer­ menterdom ein flüssigkeitsfreier Bereich, welcher mit dem entstehenden Biogas gefüllt ist. Kommt es nun zur Schaumbil­ dung, steigt der "Gasschaum" in diesem Bereich und aktiviert dort die Meßeinheit. Die Meßeinheit aktiviert über eine Steu­ erleitung eine Steuereinrichtung, die veranlaßt, daß über die Sprüheinheit von oben auf den Schaum Flüssigkeit aufgesprüht wird, so daß der Schaum durch den Flüssigkeitsstrahl mecha­ nisch zerstört wird.

Eine besonders bevorzugte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, daß die Sprüheinheit eine Düse, eine Pumpleitung und eine von der Steuereinheit ansteuerbare Pumpe aufweist, wobei bevorzugt die Pumpenleitung mit dem Innern des Behältnis kom­ muniziert, so daß bei Aktivierung der Pumpe Flüssigkeit aus dem Innern des Behältnis abgezogen wird und auf den Schaum aufgesprüht wird. Durch letztere Maßnahme, d. h. Verwendung von Gärflüssigkeit zum Niederschlagen von Schaum wird kein Frischwasser benötigt und die Menge an Gärrückstand nicht erhöht.

Eine besonders vorteilhafte alternative Ausführungsform, die insbesondere das Problem der Verschlammung löst, zeichnet sich dadurch aus, daß im Bodenbereich des Behältnis eine Ver­ tiefung vorhanden ist, in die eine Fördereinrichtung ragt, die mehr oder minder feste Materialanteile aus dem Innern des Behältnis herausfördern kann.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Fördereinrichtung als Förderschnecke angebracht. Die Förderschnecke kann in kurzen Intervallen mehrmals täglich eingeschaltet werden, wozu eine Steuereinrichtung vorhanden ist, die dies nach Vor­ gaben veranlaßt.

Die Schnecke fördert Material über den Flüssigkeitsstand des Fermenters nach außen, so daß sich Schwerstoff und Flüssig­ keit trennt. Die Flüssigkeit läuft in den Fermenter zurück, der Schwerstoff wird in einen Container abgeworfen.

Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung ergeben sich durch die in den Ansprüchen ferner aufgeführten Merkmale sowie durch die nachstehend angegebenen Ausführungsbeispiele.

Die Merkmale der Ansprüche können in beliebiger Weise mitein­ ander kombiniert werden, insoweit sie sich nicht offensicht­ lich gegenseitig ausschließen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungsformen und Wei­ terbildungen derselben werden im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Beispielenäher beschrieben und er­ läutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen­ den Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in be­ liebiger Kombination erfindungsgemäß angewandt werden. Es zeigen:

Fig. 1 schematischer Längsschnitt durch eine Reaktionsvor­ richtung (Fermenter) mit liegend angeordnetem Behält­ nis,

Fig. 2 schematischer Querschnitt durch eine Reaktionsvor­ richtung (Fermenter) mit einer Meßeinheit und Sprüheinheit, um einer Schaumbildung entgegenzuwirken und

Fig. 3 schematischer Querschnitt durch eine Reaktionsvor­ richtung mit einer Förderschnecke zum Austragen von mehr oder minder festen Materialanteilen.

WEGE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Reaktionsvorrichtung 10 ist als Fermenter 10 ausgebildet. Der Fermenter 10 weist ein Behältnis 12 auf, das im wesentlichen als horizontal angeordneter Kreiszylinder ausgebildet ist. Das Behältnis 12 ist als Stahltank 12 mit Isolierhülle 24 ausgebildet. Im jeweiligen Endbereich ist stirnseitig eine konvex nach außen gekrümmte Abschlußplatte 26 jeweils vorhanden, so daß ein geschlossenes Behältnis 12 vorliegt. Im jeweiligen Endbereich ist das Behältnis unterseitig über Lagereinheiten 13 auf einem Fundament 11 gelagert.

An dem in Fig. 1 rechten Endbereich des Behältnis 12 ist oberseitig ein Zulauf 14 angeschlossen, über den das zu behandelnde mehr oder minder breiige Material in das Innere des Behältnis 12 eingebracht wird. Dieser Zulauf 14 verläuft bis in den Bodenbereich des Behältnis 12. Im Innern des Behältnis 12 wird das Material durch Zusatz von Bakterien einem anaeroben Vergärungsprozeß ausgesetzt. An dem in Fig. 1 linken Endbereich ist ein Ablauf 16 vorhanden, über den der Gärungsrest abgezogen werden kann.

Innerhalb des Behältnis 12 ist eine in Fig. 1 schematisch dargestellte Homogenisierungseinrichtung, die mehrere in Längsrichtung beabstandet angeordnete Homogenisierungseinhei­ ten 20 aufweist, vorhanden. Diese Einheiten 20 sind als Rühr­ werk mit einer horizontal drehbar gelagerten Welle 23 und mit jeweils einem radial angeordneten Paddelelement 21 ausgebil­ det. Die Paddelelemente 21 sind in Transportrichtung T gese­ hen in Form einer Helix angeordnet. Das zu behandelnde Mate­ rial wird in Pfeilrichtung T durch das Behältnis 12 transpor­ tiert. Der Transport in Richtung T erfolgt dadurch, daß por­ tionsweise Material durch den Zulauf 14 eingedrückt wird.

In Fig. 1 sind im rechten Anfangsbereich des Behältnis 12 zwei Sperrwandeinrichtungen 60 dargestellt, die in etwa von der Bodenseite des Behältnis 12 her zwei Drittel der Behält­ nishöhe einnehmen. Im oberen Drittelbereich ist eine Ausneh­ mung 62 für den Durchtritt des eingeführten Materials vorhan­ den. Das Material wird über den Zulauf 14 portionsweise zuge­ geben. Dabei reicht der Zulauf 14 bis in den unteren Bodenbe­ reich des Behältnis 12. Durch die Zugabe unter Druck wird das im rechten Endbereich befindliche Material aufgewirbelt und über den Durchlaß 62 entsprechend weitertransportiert, wodurch auch das im Behältnis 12 befindliche gesamte Material einen Fortschritt in Transportrichtung T erfährt.

Im konkreten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind im Zulauf­ bereich zwei Sperrwandeinrichtungen 60 angeordnet. Nach der in Transportrichtung T gesehenen Sperrwandeinrichtung 60 ist eine als Rührwerk ausgebildete Homogenisierungseinheit 20 vorhanden, deren Paddelelemente 21.1 in Längsrichtung gesehen eine Erstreckung aufweisen, daß sie im wesentlichen nahe an die erste Sperrwandeinrichtung 60 und an die nachfolgende zweite Sperrwandeinrichtung 60 heranreichen.

Im weiteren Verlauf in Transportrichtung T gesehen sind meh­ rere Homogenisierungseinheiten (Rührwerke) 20 angeordnet, deren Paddelelemente 21.2 in Längsrichtung gesehen eine der­ artige Längserstreckung haben, daß sie sich in einem in der Seitenansicht gesehenen Überlappungsbereich Ü überlappen. Entgegen der vereinfachten aus Gründen der Übersichtlichkeit gewählten Darstellung in Fig. 1 sind die Paddelelemente 21.1 bzw. 21.2 in Längsrichtung gesehen versetzt in Form einer Helix bzw. Schraubenlinie vorhanden. Dadurch läßt sich ein besonders hoher Homogenisierungsgrad innerhalb des Behälters 12 umsetzen.

Durch die Anordnung der Sperrwandeinrichtungen 60 und die spezielle Ausbildung der Paddelelemente 21 wird erreicht, daß das Material zumindest im Zulaufbereich als pfropfartiges Gebilde, d. h. in einem Pfropfstrom durch die Anlage hin­ durchtransportiert wird. Die Verweilzeit innerhalb des Behältnis des zu behandelnden Materials beträgt ca. 15 bis 30 Tage. Mehrmals pro Tag erfolgt über den Zulauf eine portions­ weise Zugabe von zu behandelndem Material, wobei das Zugabe­ volumen ca. ein dreißigstel bis ein sechzigstel des Tankin­ halts des Fermenters 10 beträgt. Hierbei kann eine automatisch arbeitende Portioniereinrichtung eingesetzt wer­ den.

Im in Fig. 1 linken oberen Endbereich ist ein Dom 22 angeord­ net, der mit dem Innern des Behältnis 12 kommuniziert, und an den eine Gasleitung 18 angeschlossen ist.

Das Behältnis 12 ist so gelagert, daß in Transportrichtung T ein kleiner Anstieg vorhanden ist. Dadurch sammelt sich das beim Vergärprozeß entstehende Gas (Methan) im Bereich des Domes 22 und kann dort über die Gasleitung 18 abgezogen und beispielsweise einem Kraftwerk zugeführt werden.

Bei der in Fig. 2 schematisch dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fermenters 10.1 ist im Bereich des Domes 22 eine Meßeinheit 32 mit einer Meßsonde 33 angeordnet, die der Detektierung von Schaum 34 dient. In dem Bereich 30 im Innern des Domes 22 kann es nämlich zur Schaumbildung kom­ men, was zu Störungen im Gassystem durch das Eindringen von Schaum in das Gassystems führen kann. Gleichzeitig ist eine Sprüheinheit 40 vorhanden, die im oberen Bereich des Domes 22 eine Düse 42 besitzt, welche Düse 42 über eine Pumpenleitung 44 mit dem unteren Bereich des Behältnis 12 in Verbindung steht. In der Pumpenleitung 44 ist eine Pumpe 46 angeordnet.

Die Meßeinheit 32 ist über eine Steuerleitung an eine in Fig. 2 schematisch dargestellte Steuereinrichtung 36 ange­ schlossen, die wiederum über eine Steuerleitung 39 die Pumpe 46 beaufschlagt.

Stellt nun die Meßsonde 33 und damit die Meßeinheit 32 im Bereich 30 des Domes 22 fest, daß sich Schaum 34 gebildet hat, bzw. der Schaum 34 ein bestimmtes Niveau erreicht hat, gibt die Meßeinheit 32 über die Steuerleitung 38 ein Signal an die Steuereinrichtung 36 ab, welche daraufhin über die Steuerleitung 39 die Pumpe 46 beaufschlagt, so daß über die Pumpenleitung 44 und die Düse 42 der Sprüheinheit 40 von oben Flüssigkeit auf den Schaum 34 gesprüht wird, was eine Rück­ bildung des Schaumes aufgrund seiner mechanischen Zerstörung durch die Flüssigkeitsstrahlen veranlaßt.

Bei der in Fig. 3 schematisch dargestellten weiteren erfin­ dungsgemäßen Alternative eines Fermenters 10.2 ist am Boden des Behältnis eine Vertiefung 50 vorhanden, die als U-förmi­ ger Förderschacht 50 ausgebildet ist. In diesen Förderschacht 50 ragt eine Fördereinrichtung 52 hinein, die als Förder­ schnecke 52 ausgebildet ist. Mittels der Förderschnecke 52 ist es möglich, die sich im Förderschacht 50 im Laufe der Zeit ansammelnden mehr oder minder festen Materialbestand­ teile wie Sand, Erde, Knochensplitter oder dgl. aus dem Behältnis 12 herauszufördern und somit einer Verschlammung im Innern des Behältnis entgegenzuwirken. Die Förderschnecke 52 fördert hierbei das Material über den Flüssigkeitsstand des Fermenters 10, so daß sich der Schwerstoff und die Flüssig­ keit trennt, die Flüssigkeit in den Fermenter 10.2 zurück­ läuft und der Schwerstoff in einen außerhalb des Behältnis 12 stehenden Schwerstoffbehälter 54 abgeworfen werden kann.

Claims (14)

1. Reaktionsvorrichtung (10) zur Durchführung biochemischer Reaktionen, bei denen Mikroorganismen, insbesondere Hefen, Pilze oder Bakterien, dem zu behandelnden Material zum Abbau organischer Reststoffe unter Gasbildung zuge­ führt werden, mit

• - einem Behältnis (12),
• - einem Zulauf (14),
• - einem Ablauf (16),
• - einer die entstehenden Gase abführenden Gasleitung (18) und
• - einer innerhalb des Behältnis (12) angeordneten Homo­ genisierungseinrichtung (20), dadurch gekennzeichnet, daß
• - das Behältnis (12) liegend angeordnet ist, d. h. einen im wesentlichen horizontalen Materialfluß ermöglicht,
• - eine Portioniereinrichtung vorhanden ist, die das zu behandelnde Material nach vorgebbaren Zeitintervallen über den Zulauf (14) dem Behältnis (12) portionsweise zuführt, wodurch
• - das eingefüllte Material in den vorgebbaren Zeittakten innerhalb des Behältnis weitergefördert wird, und
• - mehrere in Materialflußrichtung (T) hintereinander angeordnete Sperrwandeinrichtungen (60) mit Durchlässen vorhanden sind, die eine gewisse Pfropfbildung des einge­ füllten Materials bewirken.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Behältnis in Materialflußrichtung (T) einen leichten Anstieg aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Homogenisierungseinrichtung mehrere in Längsrichtung des Behälters beabstandet zueinander angeordnete Homoge­ nisierungseinheiten (20) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Homogenisierungseinheit als Rührwerk mit horizontal drehbar gelagerter Welle (23) und radial abstehenden Paddelelementen (21) ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Paddelelemente (21) in Längsrichtung von Rührwerk zu Rührwerk versetzt in Form einer Helix angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und/oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Paddelelemente (21) benachbarter Rührwerke einen Überlappungsbereich (Ü) besitzen.

7. Vorrichtung (10.1) nach Anspruch 1 oder dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich (30), in dem sich das entstehende Gas sammelt, eine Meßeinheit (32) zum Feststellen des Vorhan­ denseins von Schaum (34) in diesem Bereich (30) und eine Sprüheinheit (40) zum Besprühen des eventuell vorhandenen Schaums (34) mit Flüssigkeit vorhanden ist, wobei die Meßeinheit (32) bei Vorhandensein von Schaum (34) ein Meßsignal an eine Steuereinrichtung (36) abgibt, die dar­ aufhin die Sprüheinheit (40) aktiviert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprüheinheit eine Düse (42), eine an die Düse (42) angeschlossene Pumpenleitung (44) und eine von der Steuereinheit (36) ansteuerbare Pumpe (46) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenleitung (44) mit dem Inneren des Behältnis (12) kommuniziert, so daß bei Aktivierung der Pumpe (46) Flüs­ sigkeit aus dem Innern des Behältnis (12) sog. Gärflüs­ sigkeit abgezogen und auf den Schaum (34) aufgesprüht wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenleitung (44) im unteren Bereich des Behältnis (12) angeschlossen ist.

11. Vorrichtung (10.2) nach Anspruch 1 oder dem Oberbegriff von Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Bodenbereich des Behältnis (12) eine Vertiefung (50) vorhanden ist, in die eine Fördereinrichtung (52) ragt, die mehr oder minder feste Materialanteile aus dem Innern des Behältnis (12) herausfördern kann.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung als Förderschnecke (52) ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 und/oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung vorhanden ist, die zu vorgegebenen Zeitpunkten die Fördereinrichtung für vorgegebene Zeit­ intervalle aktiviert.

14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Behältnis als Stahltank, insbesondere im wesentlichen kreiszylindrischer Tank, mit Isolierhülle ausgebildet ist.