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Dokumentenidentifikation DE202006004982U1 29.06.2006
Titel Rührwerk für Fermentationsbehälter
Anmelder Schmack Biogas AG, 92421 Schwandorf, DE
Vertreter Kritzenberger & Zeuner, 80636 München
DE-Aktenzeichen 202006004982
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 29.06.2006
Registration date 24.05.2006
Application date from patent application 27.03.2006
IPC-Hauptklasse C12M 1/02(2006.01)A, F, I, 20060327, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C12M 1/107(2006.01)A, L, I, 20060327, B, H, DE   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Rührwerk zum Eintrag mechanischer Energie in stehend angeordnete Fermentationsbehälter.

Stand der Technik

Biogasanlagen erzeugen Methan durch einen mikrobiellen Abbauprozess von organischen Substanzen. Das Biogas entsteht dabei in einem mehrstufigen Prozess, der Vergärung oder Faulung durch die Aktivität von anaeroben Mikroorganismen, d.h. unter Ausschluss von Luft. Die Art der Organismenstämme wird im Wesentlichen durch die spezifischen Prozessparameter wie Temperatur, Substrat, pH-Wert, etc. determiniert. Dadurch wird eine Anpassung der Mikroorganismen an das jeweilige Substrat erreicht, die es ermöglicht, eine Vielzahl organischer Materialien durch Fermentation abzubauen.

Organisches Material besitzt aus chemischer Sicht einen hochmolekularen Aufbau, der in den einzelnen Verfahrensschritten einer Biogasanlage durch Stoffwechseltätigkeit der Mikroorganismen zu niedermolekularen Bausteinen abgebaut wird. Neben Biogas, das im Wesentlichen aus Methan und Kohlendioxid besteht, verbleibt in der Prozesskette als Fermentationsrückstand eine Mischung aus Wasser, nicht abgebautem organischem Material und anorganischen Bestandteilen. Nicht abgebaut werden in der Regel stark ligninhaltige, holzige Materialien und cellulosereiche Stoffe. Anorganische Bestandteile sind Minerale in Form von Sand und Steinen, aber auch kristallisierte Salze.

Zentrale Bauteile einer Biogasanlage sind die Fermentationsbehälter (Fermentoren, Reaktoren), in denen die primären biologischen Prozesse ablaufen. Als Werkstoffe zum Bau der Fermentoren werden üblicherweise Beton oder Stahlplatten (emailliert, beschichtet oder aus Edelstahl) eingesetzt. Die in einer Biogasanlage ablaufenden mikrobiellen Abbauprozesse sind stark von der Fermentertemperatur abhängig. Aus diesem Grund werden die Reaktoren meist thermisch isoliert und mit einer Heizung (externe Wärmetauscher, Heizwendeln an der Innenwand, beheizte Rührwerke oder Fußbodenheizung) ausgestattet.

Da es im Verlauf der bis über drei Wochen dauernden Vergärung zu Entmischungen des Substrats kommen kann, wird das Material bewegt. Die unerwünschten Entmischungen würden zur Bildung von feststoffreichen Schwimm- und Sinkschichten führen, die in der Folge den Stofftransport im Reaktor behindern. Der Reaktor ist meist mit einem Zulauf für halbflüssige bis flüssige Materialien und einer Einzugsschnecke für feste Materialien ausgestattet. Häufig werden Fermentoren mit Vorrichtungen zum Austrag der nicht vergärbaren, sich im Bodenbereich absetzenden organischen und anorganischen Bestandteile ausgerüstet. Die Aufgabe des Austrags der vergorenen Substanzen aus dem Reaktor übernimmt ein in das Fermentat eintauchendes Steigrohr, das als Überlauf in einen weiteren Reaktor oder in ein Substratlager ausgeführt ist. Das entstehende Biogas wird über einen so genannten Gasdom entnommen und der Verwertung zugeführt.

Aus diesen allgemeinen Ausführungen über Biogasanlagen kann ein Eindruck von den in Fermentern herrschenden Bedingungen gewonnen werden: In Fermentern werden teilweise sehr zähflüssige Dispersionen mit einem hohen Feststoffanteil durch Rührwerke oder ähnliche Vorrichtungen zumindest zeitweise kräftig bewegt. Einzelne Partikel, wie z.B. ganze Zuckerrüben messen dabei bis zu 25 cm im Durchmesser. Es kann davon ausgegangen werden, dass zumindest zeitweise stabile Schwimmschichten in großen zusammenhängenden Matten vom dem Rührwerk durch den Fermenter gezogen werden. Diese Faktoren führen zu einer hohen mechanischen Belastung aller im Fermenter installierten Komponenten. Insbesondere müssen Bauteile der Rührwerke und der ggf. im Fermenter verlegten Heizleitungen besonders stabil ausgeführt sein.

Während des Betriebes einer Biogasanlage entstehende Schäden an Bauteilen, die sich im Fermenter befinden, sind in mehrfacher Hinsicht problematisch: Zur Reparatur muss der Betrieb der Anlage unterbrochen und der Fermenterinhalt zumindest bis zur Freilegung der schadhaften Stelle abgelassen werden. Der abgelassene Inhalt muss entsorgt (was aufgrund des intakten Gärprozesses mit erheblicher Emissionsbelastung einhergeht), das Problem behoben und der Fermenter wieder aufgefüllt werden. Danach muss sich der Prozess der Biogasgenese wieder etablieren. Insgesamt betrachtet entspricht eine Reparatur im Fermenter häufig einem Anlagenausfall von zwei bis drei Monaten.

Vor diesem Hintergrund ist es verständlich, dass beim Bau einer Biogasanlage der Konstruktion und der Ausführung der Komponenten im Fermenter besondere Aufmerksamkeit geschenkt wird. Insbesondere kommt der Rührwerksausführung und -steuerung sowie der Ausführung, Anordnung und Befestigung von notwendigen Heizleitungen im Fermenterinnenraum besondere Bedeutung zu.

Wie bereits allgemein dargestellt, sollen die Rührwerke in Biogasanlagen die Ausbildung stabiler Schwimm- und Sinkschichten verhindern. Darüber hinaus sorgt die von den Rührwerken eingebrachte Bewegung für einen thermischen und stofflichen Ausgleich im Fermenter. So wird frisch eingebrachtes Substrat durch die Vermischung mit bakterienreichem, angegorenem Substrat deutlich rascher zersetzt als ohne diese Animpfung. Der in den Aufgabenbereich der Rührwerke fallende thermische Ausgleich ist zur Etablierung günstiger Lebensbedingungen für die Bakterien im ganzen Fermenter unabdingbar, wodurch ein optimaler Gärprozess erreicht werden kann. Dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Temperierung und Vermischung des Substrates in Fermentern zu entnehmen.

Am Weitesten verbreitet sind im Bereich liegender Durchflussfermenter in der Längsachse des Fermenters zentral angeordnete Rührwellen, an die die Rührwerksschaufeln radial befestigt sind. In diesen Fermentern übernehmen die Rührwerke die zusätzlichen Aufgaben des Substrattransportes durch den Fermenter und des Sinkstofftransportes zu speziellen Sandaustragseinrichtungen. Zur Einbringung der für die bakterielle Aktivität optimalen Wärme werden meist Heizleitungen an den Innenwänden des Fermenters verlegt. Die Heizleitungen bestehen üblicherweise aus Metall oder aus den für Fußbodenheizungen eingesetzten vernetzten PE-X/Aluminiumverbundrohren. Ein wesentlicher Nachteil dieser im Biogasanlagenbau typischen Systeme besteht in der Biofilmbildung an den Heizleitungen. Häufig werden die Heizleitungen bereits nach kurzem Betrieb von nicht mehr durchmischbaren, dichten Schichten umgeben, die den Wärmetransport von den Heizleitungen in das Substrat behindern und zudem den zur Vergärung verfügbaren Fermenterinhalt verkleinern. Der systemimmanente Heizleitungsbewuchs zieht einen erhöhten Wärme- und Wartungsbedarf nach sich. Diese Nachteile gehen zu Lasten der Effektivität derartiger Biogasanlagen.

Eine weitere konstruktionsbedingte Schwachstelle solcher Fermenterkonstruktionen ist der Durchtritt der Welle durch die Fermenterstirnwand. Schäden an der Wellendichtung können häufig nicht ohne Ablassen des Fermenterinhaltes bis zur Lagerstelle beseitigt werden.

Die Rührblätter in den beschriebenen liegenden Fermentern reichen durch den kompletten Fermenterradius. Der sich bei üblichen Fermenterabmessungen ergebende lange Hebel verursacht hohe Drehmomentbelastungen für alle Bauteile des Rührwerkes. Die unter diesen Bedingungen erreichten Drehzahlen sind gering. Damit ist die am Rührblatt anliegende Überströmgeschwindigkeit des Substrates ebenfalls gering. Als Folge der geringen Überströmung des Substrates werden derartige Rührblätter häufig mit dicken Biofilmen bewachsen, die die mechanische Last am Rührwerk weiter erhöhen, wodurch Energieverbrauch und Havarierisiko weiter steigen.

In der DE 196 48 875 A1 wird eine Lösung für den heizleitungsfreien Eintrag von Wärme durch Verwendung beheizbarer Rührwerkswellen in liegenden Durchflussfermentern beschrieben. Dabei handelt es sich um in Längsrichtung des Fermenters angeordnete, parallele Rohrprofile, die von einem Heizmedium durchströmt werden. Die Rührwelle ist an den Stirnwänden des Fermenters gelagert. Der Antrieb ist an der Außenseite des Fermenters auf die Welle geflanscht. Praktische Erfahrungen mit dem System zeigen, dass die über die Welle eingebrachte Wärme zur Aufrechterhaltung optimaler Gärbedingungen ausreichend ist. Zusätzliche Heizleitungen sind meist nicht erforderlich.

Unter den dargestellten Betriebsbedingungen von Biogasanlagen können Schäden an Rührwerken nicht vollständig ausgeschlossen werden. Treten Schäden an einem in der Längsachse eines liegenden Fermenters angeordneten Rührwerk auf, so muss der Fermenterinhalt zumindest bis zur Lagerung der Welle abgelassen werden. Wie bereits dargestellt zieht das neben dem Arbeitsaufwand und den Emissionen einen Anlagenausfall von zwei bis drei Monaten nach sich. Rührwerksschäden sind ein enormes Risiko für derartige Anlagen.

Neben den liegend angeordneten bevorzugt als Durchflussfermenter konzipierten Gärbehältern werden häufig stehende Fermenter eingesetzt. Besonders verbreitet sind Fermenter mit radialsymmetrischen Querschnitt. Diese Rundbehälter werden z.T. mittels um die Hauptachse des zylindrischen Behälters umlaufender Rührwerke durchmischt. Derartige Rührwerke übertragen aufgrund der relativ langen Hebel hohe Drehmomente. Alle Bauteile sind entsprechen robust auszulegen. Die relativen Rührblattgeschwindigkeiten solcher Rührwerke reichen meist nicht aus, um eine das Aufwachsen dicker Biofilme verhindernde mechanische Überströmung des Rührblattes zu bewirken. In der Folge wachsen stabile mattenartige Beläge auf die Rührblätter auf. Die einzubringende Kraft und damit die Belastung der kraftübertragenden Komponenten und des Antriebs steigt mit dem Bewuchs. Erhöhter Verschleiß, erhöhter Energiebedarf und erhöhter Wartungsaufwand sind die Folge.

In Rundfermentern werden auch Tauchmotorrührwerke eingesetzt. Problematisch sind v.a. die dauerhafte Kapselung des Antriebs gegen das Substrat sowie die mit den üblicherweise geringen Rotorabmessungen einhergehende Kavitation. Pro Tauchmotorrührwerk kann also nur relativ wenig mechanische Energie eingetragen werden. Tauchmotorrührwerke eignen sich in Biogasanlagen allenfalls als Zusatzrührwerk oder für die Zusammenschaltung mehrerer Tauchmotorrührwerke.

Alternativ zu den genannten Rührwerken werden in stehenden Rundfermentern häufig so genannte Großflügelrührwerke eingesetzt. Die Achse dieser Großflügelrührwerke stützt sich im Fermenterinnenraum am Boden und oberhalb des maximalen Fermenterfüllstandes an der Behälterwand ab. In der senkrechten Projektion von oben segmentiert die Rührwelle den Fermenterkreis. Die Rührwelle trägt üblicherweise zwei bis drei trapezförmig abgekantete Rechteckblechpaare als Rührblätter. Das schräg von außen oben nach innen unten weisende Rührwerk bewirkt sowohl eine Substratvermischung in horizontaler Richtung als auch in radialer und zirkumpolarer Richtung. Damit ermöglicht es eine effektive Durchmischung eines Rundbehälters, wobei aufgrund der im Vergleich mit den beschriebenen zentral angeordneten Rührwerken verringerten Rührblattlängen die anliegenden Drehmomentlasten relativ gering sind. Die Bauteile können aufgrund der niedrigen Belastungen relativ schwach dimensioniert werden. Die zur Durchmischung erforderliche Energie ist relativ gering.

Die Lagerung der Großflügelrührwerke erfolgt üblicherweise in starr mit der Welle und dem Behälter verbundenen Druck- bzw. Radiallagern. Diese starre Verbindung führt zu erheblichen Problemen bei der Montage und im Betrieb. Bei der Montage der Rührwerke können leichte Abweichungen von den geplanten Maßen nicht mehr ausgeglichen werden. Die Montage der starr gelagerten Rührwerke ist aufwändige Präzisionsarbeit. Minimale Winkelabweichungen bei der Kernbohrung zur Aufnahme des oberen Lagers führen zu Spannungen in der Welle bzw. machen aufwändige Nacharbeit erforderlich. Im Betrieb ergeben sich beim Rühren der viskosen Masse starke Lasten, die komplett über die starr fixierte Welle auf die starren Lager und letztendlich auf die Lageraufnahmen übertragen werden. Hoher Lagerverschleiß und Materialermüdung sind die Folge.

Die stehenden Rundfermenter werden typischerweise mit ring- bzw. wendelförmig an den Wänden bzw. am Boden angebrachten Heizleitungen beheizt. Das in der DE 203 00 794 U1 beschriebene System zur Fermenterheizung vereinfacht die umständliche Anbringung von Heizleitungen in Rundfermentern. Die prinzipielle Anfälligkeit derartiger Heizungssysteme gegen Bewuchs mit den bereits dargestellten negativen Folgen kann allerdings trotz des im Vergleich zu konventionellen Heizleitungsbefestigungssystemen erhöhten Abstands der Leitungen zur Wand nicht vollständig überwunden werden.

In der DE 10 2004 027 077 A1 wird ein System zur Einbringung mechanischer und thermischer Energie in stehende Fermentationsbehälter offenbart. Dabei wird eine für die Wärmeversorgung eines Fermenters ausreichende Wärmemenge alleine ohne zusätzliche Heizvorrichtung mittels eines Rührwerkes in den Fermenter transportiert. Diese Rührwerke sind einfach in der Montage, wartungsarm und sie bleiben auch bei längerem Gebrauch soweit frei von Bewuchs durch dicke Biofilme, dass ihre Funktion als Rührwerk nicht beeinträchtigt wird. Die Rührwelle der in der DE 10 2004 027 077 A1 beschriebenen Anlagen ist in einem Winkel zwischen 35 ° und 55 ° gegen den Boden und in einem Winkel zwischen 15 ° und 35 ° gegen die Verbindungslinie zwischen Rührwellendurchtritt durch die Behälterwand und dem Behältermittelpunkt geneigt. Innerhalb dieser Werte ergeben sich für niedrig bis mittel viskose Medien sehr gute Substratvermischungen bei niedrigem Energiebedarf.

Die zunehmende Verwendung nachwachsender Rohstoffe (NaWaRo) in Biogasanlagen und der damit einhergehende Trend zu hoch feststoffhaltigen Substraten stellen veränderte Anforderungen an die in den Fermentern eingesetzte Rührtechnik. Die oben beschriebenen Systeme versagen bei den genannten hoch feststoffhaltigen Substraten, welche Trockensubstanzgehalte von mehr als 8 aufweisen. Gründe dafür liegen zum einen in der gestiegenen Viskosität der Medien, zum anderen in dem durch die hohe Viskosität behinderten Blasenauftrieb des entstehenden Biogases. Das Substrat verändert sich von einer dünnen, grobe Feststoffpartikel enthaltenden Matrix in landwirtschaftlichen Biogasanlagen über eine relativ heterogene Dispersion mit eingeschränkter Beweglichkeit in gemischt landwirtschaftlich/NaWaRo Anlagen bis hin zu schaumigen, homogenen Breisubstraten in reinen NaWaRo Anlagen. Um auch reine NaWaRo Fermenter ausreichend mit mechanischer und thermischer Energie versorgen zu können, bedarf es neuer Rührkonzepte.

Aus dem geschilderten Stand der Technik geht hervor, dass die Einbringung mechanischer Energie in Fermenter von Biogasanlagen gegenwärtig unbefriedigend gelöst ist.

Darstellung der Erfindung

Hier setzt die Erfindung an. Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Einbringung von mechanischer Energie in Fermentationsbehälter bereitzustellen, die die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

Diese Aufgabe wird efindungsgemäß durch das Rührwerk zum Eintrag mechanischer Energie in stehend angeordnete Fermentationsbehälter gemäß unabhängigem Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Rührwerk zum Eintrag mechanischer Energie in stehend angeordnete Fermentationsbehälter zur Verfügung. Das Rührwerk umfasst zumindest einen Antrieb, ein an der Wand des Fermentationsbehälters befestigtes wandseitiges Rührwellenlager, ein über zumindest eine Abstützung sich am Boden des Fermentationsbehälters abstützendes fermenterseitiges Rührwellenlager und zumindest eine Rührwelle mit zumindest einem, an der Rührwelle befestigten Rührblatt. Erfindungsgemäß erstreckt sich die Rührwelle parallel zum Boden des Fermentationsbehälters von der Wand des Fermentationsbehälters in Richtung der Hauptachse des Fermentationsbehälters.

Durch das erfindungsgemäße Rührwerk kann eine ausreichende Menge an mechanischer Energie in stehend angeordnete Fermentationsbehälter eingebracht werden. Insbesondere können hoch viskose Substrate ausreichend gerührt werden. Durch die verhältnismäßig hohen Überströmgeschwindigkeiten des Substrats an den Rührblättern bleiben die erfindungsgemäßen Rührwerke soweit frei von Bewuchs durch dicke Biofilme, dass ihre Funktion als Rührwerk auch bei längerem Gebrauch nicht beeinträchtigt wird.

Das erfindungsgemäße Rührwerk sorgt darüberhinaus alleine oder in Zusammenwirkung mit weiteren Rühr- bzw. Mischeinrichtungen für eine effektive Vermischung des Substrates in Rundfermentern. Insbesondere wird der Ausbildung den Betrieb störender, stabiler Schwimm- und Sinkschichten wirkungsvoll entgegengewirkt. Außerdem wird die Freisetzung des im Substrat in Form von Blasen gebundenen Biogases unterstützt. Die genannten Vorteile werden durch das erfindungsgemäße Rührwerk bei einem gleichzeitig verhältnismäßig geringen Rührenergiebedarf erreicht.

Bevorzugt sind an der Rührwelle mehrere Rührblätter befestigt, insbesondere 2, 3, 4, 5, 6 oder mehr Rührblätter. Die Rührblätter sind bevorzugt entlang der Rührwellenachse versetzt zueinander radial nach außen weisend an der Rührwelle befestigt.

Besonders bevorzugt sind Ausführungsformen, wonach die Rührblätter in verschiedenen Umfangswinkeln an der Rührwelle befestigt sind. Der Begriff "Umfangswinkel" bezeichnet dabei den Winkel, den ein Rührblatt und eine beliebige, radial von der Rührwelle nach außen verlaufende Referenzachse zueinander einschließen.

Insbesondere bevorzugt sind die einzelnen Rührblätter um gleiche Bruchteile von 360° des Umfangswinkels versetzt zueinander an der Rührwelle befestigt. Sind also beispielsweise vier Rührblätter an einer Rührwelle befestigt, so schließen benachbarte Rührblätter jeweils einen Winkel von 90° zueinander ein. Im Falle von 5 Rührblättern beträgt der Winkel 72°.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Rührblätter jeweils zwei Seitenteile und zumindest ein Brückenprofil, wobei die beiden Seitenteile durch das Brückenprofil miteinander verbunden sind. Bevorzugt stehen die Seitenteile der Rührblätter senkrecht von der Rührwelle ab. Durch eine solche Konstruktion wird eine besonders gute und effektive Durchmischung des Fermentersubstrats bei gleichzeitig relativ geringem Energieaufwand erreicht.

Besonders vorteilhafte Bedingungen ergeben sich, wenn die beiden Seitenteile eines Rührblatts in verschiedenen Umfangswinkeln an der Rührwelle angebracht sind. Dadurch wird erreicht, dass die die Rührenergie eintragenden Brückenprofile schräg zur Rührwelle verlaufen. Besonders bevorzugt sind die beiden Seitenteile eines Rührblatts in um rund 15° differierenden Umfangswinkeln an der Rührwelle angebracht. Es stellt sich eine besonders gute und energiesparende Durchmischung des Substrats ein.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem Rührwerk um ein beheizbares Rührwerk. In dieser vorteilhaften Ausgestaltung kann auch thermische Energie in das Substrat eingebracht werden. Im Idealfall kann durch das beheizbare Rührwerk alleine ohne zusätzliche Heizvorrichtung eine für die Wärmeversorgung eines Fermenters ausreichende Wärmemenge in den Fermenter transportiert werden. Darüberhinaus werden auch schwach wärmeleitfähige Substrate ausreichend mit thermischer Energie versorgt.

Vorteilhafterweise handelt es sich bei der beheizbaren Rührwelle um ein doppelwandiges Rohrsystem, wobei als inneres Rohr eine Kunststoffleitung verwendet wird, die an den Vorlauf eines Wärme transportierenden Mediums angeschlossen ist. Um einen besonders guten Wärmeeintrag in das Substrat zu gewährleisten, endet die Kunststoffleitung in der Nähe des fermenterseitigen Rührwellenlagers.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem äußeren Rohr um ein Metallrohr, das den Rücklauf des Wärme transportierenden Mediums bildet. Dadurch ergibt sich ein weiter verbesserter Wärmeeintrag in das Substrat, der durch das Anbringen von Wärmeleitblechen an der Rührwelle noch gesteigert werden kann. Die Rührblätter können in diesem Fall vorteilhafterweise an den Wärmeleitblechen befestigt werden.

Die vorliegende Erfindung umfasst auch einen Fermenter für Biomasse, der mit zumindest einem der oben beschriebenen Rührwerke ausgestattet ist. In Abhängigkeit von der Größe des Fermenters und der zu bewegenden Menge an Substrat kann der Fermenter vorteilhafterweise 2, 3, 4, 5, 6 oder noch mehr Rührwerke aufweisen.

Sind in dem Fermenter zwei Rührwerke installiert, so liegen die beiden Rührwellen der Rührwerke vorteilhafterweise in einer Ebene. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Rührwellen der Rührwerke in unterschiedlichem Abstand vom Boden des Fermenters angebracht. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand der ersten Rührwelle vom Boden des Fermenters rund das Doppelte des Abstands der zweiten Rührwelle vom Boden des Fermenters.

Gemäß dieser Ausführungsform befinden sich die beiden Rührwerke somit an einander gegenüber liegenden Positionen im Fermenter, sie sind also um 180° zueinander versetzt. Durch eine solche Anordnung wird eine möglichst gleichmäßige Verteilung der eingebrachten mechanischen Energie über das gesamte Fermentervolumen erreicht. Ebenfalls diesem Ziel dient das Montieren der beiden Rührwerke auf unterschiedlichen Höhen über dem Fermenterboden. Die Rührwerke sind spiegelbildlich aufgebaut und werden gegenläufig zueinander angetrieben. Das obere Rührwerk wird dabei so montiert, dass die Rührblätter den oberen Substratfüllstand auf jeden Fall durchbrechen. Die Rührwelle des unteren Rührwerks befindet sich bevorzugt auf einem Höhenniveau mit der tiefsten Position der Rührblätter des oberen Rührwerks. Dadurch entstehen im Rührbetrieb drei Rührzonen, wobei die mittlere Rührzone in Gegenrichtung zur oberen und unteren Zone umläuft.

Sind in einem Fermenter drei erfindungsgemäße Rührwerke installiert, so schließen die Achsen der Rührwellen bevorzugt einen Winkel von 120° zueinander ein. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die drei Rührwellen der Rührwerke in unterschiedlichem Abstand vom Boden des Fermenters angebracht. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand der ersten Rührwelle vom Boden des Fermenters rund das 1,5fache des Abstands der zweiten Rührwelle vom Boden des Fermenters und rund das dreifache des Abstands der dritten Rührwelle vom Boden des Fermenters beträgt. Durch eine solche Anordnung wird eine möglichst gleichmäßige Verteilung der eingebrachten mechanischen Energie über das gesamte Fermentervolumen erreicht. Ebenfalls diesem Ziel dient das Montieren der drei Rührwerke auf unterschiedlichen Höhen über dem Fermenterboden. Wie bereits für den Fall von zwei Rührwerken beschrieben, wird das obere Rührwerk so montiert, dass die Rührblätter den oberen Substratfüllstand auf jeden Fall durchbrechen. Die Rührwelle des mittleren Rührwerks befindet sich bevorzugt auf einem Höhenniveau mit der tiefsten Position der Rührblätter des oberen Rührwerks, während sich die Rührwelle des unteren Rührwerks bevorzugt auf einem Höhenniveau mit der tiefsten Position der Rührblätter des mittleren Rührwerks befindet. Dadurch entstehen im Rührbetrieb wiederum drei Rührzonen, wobei die mittlere Rührzone in Gegenrichtung zur oberen und unteren Zone umläuft.

Sind in einem Fermenter vier erfindungsgemäße Rührwerke installiert, so schließen die Achsen der Rührwellen bevorzugt einen Winkel von 90° zueinander ein. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die vier Rührwellen der Rührwerke in unterschiedlichem Abstand vom Boden des Fermenters angebracht. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand der ersten Rührwelle vom Boden des Fermenters rund 4/3 des Abstands der zweiten Rührwelle vom Boden des Fermenters, rund das Doppelte des Abstands der dritten Rührwelle vom Boden des Fermenters und rund das Vierfache des Abstands der vierten Rührwelle vom Boden des Fermenters. Durch eine solche Anordnung wird wiederum eine möglichst gleichmäßige Verteilung der eingebrachten mechanischen Energie über das gesamte Fermentervolumen erreicht. Ebenfalls diesem Ziel dient das Montieren der vier Rührwerke auf unterschiedlichen Höhen über dem Fermenterboden. Wie bereits für den Fall von zwei und drei Rührwerken beschrieben, wird das obere (erste) Rührwerk so montiert, dass die Rührblätter den oberen Substrattüllstand auf jeden Fall durchbrechen. Die Rührwelle des zweiten Rührwerks befindet sich bevorzugt auf einem Höhenniveau mit der tiefsten Position der Rührblätter des oberen Rührwerks, während sich die Rührwelle des dritten Rührwerks bevorzugt auf einem Höhenniveau mit der tiefsten Position der Rührblätter des zweiten Rührwerks befindet und sich die Rührwelle des vierten (unteren) Rührwerks bevorzugt auf einem Höhenniveau mit der tiefsten Position der Rührblätter des dritten Rührwerks befindet. Dadurch entstehen im Rührbetrieb wiederum drei Rührzonen, wobei die mittlere Rührzone in Gegenrichtung zur oberen und unteren Zone umläuft.

Es versteht sich, dass in noch großvolumigeren Fermentern in der geschilderten Weise 5, 6, 7, 8 oder noch mehr Rührwerke installiert werden können.

Zur Gewährleistung stabiler Fermentationsbedingungen wird eine radiale Strömung des Substrats entlang der Fermenterwand gewünscht. Bei der dargestellten Rührblattanordnung muss das von dem der Fermenterwand benachbarten äußeren Rührblatt bewegte Substrat für einen kompletten Umlauf um die Fermenterhauptachse eine längere Strecke zurücklegen, als das von den weiter innen im Fermenter liegenden Rührblättern bewegte Substrat. Bei höheren Drehzahlen des Rührwerks kommt es insbesondere bei den weiter innen im Fermenter liegenden Rührblättern zu einer unbefriedigenden Umsetzung der eingebrachten mechanischen Energie in radiale Strömung des Substrats. Werden dagegen sehr niedrige Drehzahlen angewendet, so kommt es insbesondere bei den in der Nähe der Fermenterwand angebrachten Rührblättern zwar zu einer annähernd idealen radialen Bewegung des Substrats, allerdings liegt auch in diesem Fall ein unbefriedigender Eintrag an mechanischer Energie vor, da aufgrund der geringen Drehzahlen die Gesamtmenge an eingebrachter mechanischer Energie zu gering ist.

Um diese beiden gegenläufigen Bedingungen möglichst gut zu erfüllen, muss die Länge der Rührwelle an die typischen Drehzahlen des Rührwerks in stehenden Fermentern angepasst werden. Besonders gut gelingt dies, wenn die Länge der Rührwelle maximal 75% des Fermenterradius beträgt. Insbesondere bevorzugt beträgt die Länge der Rührwelle maximal 66% des Fermenterradius und ganz besonders bevorzugt beträgt die Länge der Rührwelle maximal 50% des Fermenterradius.

Selbstverständlich muss die Rührwelle eine gewisse Mindestlänge aufweisen, da sie ein oder mehrere Rührblätter trägt. Die Länge der Rührwelle beträgt daher bevorzugt mindestens 25% des Fermenterradius. Insbesondere bevorzugt beträgt die Länge der Rührwelle mindestens 33% des Fermenterradius und ganz besonders bevorzugt beträgt die Länge der Rührwelle mindestens 50% des Fermenterradius.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die Länge der Rührwelle im Bereich des halben Radius des Rundfermenters. Bei dieser Rührwellenlänge ist der Unterschied in den rührblattspezifischen Substrat-Umlaufwegen einerseits relativ gering, andererseits kann bei typischen Drehzahlen von etwa 12 UPM genügend mechanische Energie eingetragen werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zur Illustration der Erfindung und zur Verdeutlichung ihrer Vorzüge werden nachfolgend Ausführungsbeispiele angegeben. Diese Ausführungsbeispiele sollen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es versteht sich von selbst, dass diese Angaben die Erfindung nicht beschränken sollen. Es zeigen

1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in der senkrechten Projektion von oben. Dargestellt ist eine Hälfte eines Rundfermenters;

2 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in der senkrechten Projektion von der Seite. Dargestellt ist eine Hälfte eines Rundfermenters;

3 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in der senkrechten Projektion von der Seite. Es ist ein Fermenter mit zwei Rührwerken dargestellt.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Das in der 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Rührwerk zum Eintrag mechanischer Energie in stehend angeordnete Fermentationsbehälter umfasst einen Antrieb 3, ein an der Fermenterwand befestigtes wandseitiges Rührwellenlager 6, ein über zwei Abstützungen 7 sich am Boden des Fermentationsbehälters abstützendes fermenterseitiges Rührwellenlager 5, eine Rührwelle 2 mit vier an der Rührwelle 2 befestigten Rührblättern 4. Die heizbare Rührwelle 2 verläuft parallel zur Bodenfläche des stehenden Rundfermenters von außen durch die Fermenterwand 1 in Richtung der Hauptachse des Fermenters. Die Rührwelle wird mittels des außen mit der Welle verbundenen Antriebs 3 bewegt. Auf der Welle 2 befinden sich vier radial von der Welle weg zeigende Rührblätter 4.

Die heizbar ausgeführte Rührwelle 2 ist als doppelwandiges Rohr gefertigt. In dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich bei der Rührwelle 2 um ein Metallrohr, in das eine dünnere Kunststoffleitung eingezogen ist. Die Kunststoffleitung endet offen kurz vor dem fermenterseitigen Wellenlager 5. Sie ist am Heizungsvorlauf angeschlossen und führt das warme Heizmedium in die Welle. Das äußere Metallrohr gibt der Welle die nötige mechanische Stabilität und sorgt für den Wärmeaustausch des Heizmediums mit dem Substrat.

Bei den Rührblättern handelt es sich um zwei über Wärmeleitbleche an der Rührwelle befestigte, stehende Seitenteile, die über vier Brückenprofile miteinander verbunden sind. Die Seitenteile sind üblicherweise aus Blech gefertigt und weisen eine Dicke von bis zu einem Zentimeter und mehr auf. Die beiden stehenden Seitenteile können auf der Rührwelle um mehrere Grad gegeneinander verdreht sein, so dass die die Rührenergie eintragenden Brückenelemente schräg zur Rührwelle verlaufen. An der Rührwelle 2 sind vier Rührblätter 4 mit einem Versatz von 90° montiert. Die Welle 2 ist im fermenterseitigen Wellenlager 5 und im wandseitigen Wellenlager 6 drehbar gelagert. Das fermenterseitige Lager 5 stützt sich über zwei Abstützungen 7 am Fermenterboden ab.

Rundfermenter mit einem Volumen bis zu 1200 m3 werden bevorzugt mit einem Rührwerk ausgerüstet. Das Rührwerk wird dabei so montiert, dass die Rührblätter den oberen Substratfüllstand auf jeden Fall durchbrechen.

Rundfermenter mit einem Volumen von 1200 m3 bis zu 2400 m3 werden bevorzugt mit zwei Rührwerken ausgerüstet. Die beiden Rührwerke befinden sich an einander gegenüber liegenden Positionen (180° Versatz) im Fermenter. Dabei werden die beiden Rührer auf unterschiedlichen Höhen montiert. Die Rührer sind spiegelbildlich aufgebaut und werden gegenläufig zueinander angetrieben. Das obere Rührwerk wird, wie in 3 dargestellt, dabei so montiert, dass die Rührblätter den oberen Substratfüllstand auf jeden Fall durchbrechen. Die Rührwelle des unteren Rührwerks befindet sich bevorzugt auf einem Höhenniveau mit der tiefsten Position der Rührblätter des oberen Rührwerks. Im Rührbetrieb entstehen dabei 3 Rührzonen, wobei die mittlere Rührzone in Gegenrichtung zur oberen und unteren Zone umläuft.

Rundfermenter mit einem Volumen von über 2400 m3 werden bevorzugt mit drei oder mehr Rührwerken ausgerüstet. Die drei Rührwerke werden gleichmäßig an der Fermenterwand verteilt (120° Versatz) und auf unterschiedlichen Höhen montiert. Das obere Rührwerk wird dabei so montiert, dass die Rührblätter den oberen Substratfüllstand auf jeden Fall durchbrechen. Die Rührwelle des mittleren Rührwerks befindet sich bevorzugt auf einem Höhenniveau mit der tiefsten Position der Rührblätter des oberen Rührwerks. Entsprechendes gilt für die Höhendifferenz zwischen unteren und mittleren Rührwerk. Der Abstand der oberen Rührwelle vom Boden des Fermenters beträgt somit rund das 1,5fache des Abstands der mittleren Rührwelle vom Boden des Fermenters und rund das dreifache des Abstands der unteren Rührwelle vom Boden des Fermenters. Im Rührbetrieb entstehen dabei wiederum 3 Rührzonen, wobei die mittlere Rührzone in Gegenrichtung zur oberen und unteren Zone umläuft.

1Fermenterwand 2Rührwelle 3Antrieb 4Rührblätter 5Wellenlager fermenterseitig 6Wellenlager wandseitig 7Abstützung 8Flüssigkeitsstand

Anspruch[de]
  1. Rührwerk zum Eintrag mechanischer Energie in stehend angeordnete Fermentationsbehälter mit zumindest einem Antrieb (3), einem an der Wand des Fermentationsbehälters befestigten wandseitigen Rührwellenlager (6), einem über zumindest eine Abstützung (7) sich am Boden des Fermentationsbehälters abstützenden fermenterseitigen Rührwellenlager (5), zumindest einer Rührwelle (2) mit zumindest einem, an der Rührwelle befestigten Rührblatt (4), wobei sich die Rührwelle (2) parallel zum Boden des Fermentationsbehälters von der Wand des Fermentationsbehälters in Richtung der Hauptachse des Fermentationsbehälters erstreckt.
  2. Rührwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rührwelle (2) zwei Rührblätter (4) befestigt sind.
  3. Rührwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rührwelle (2) drei Rührblätter (4) befestigt sind.
  4. Rührwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rührwelle (2) vier Rührblätter (4) befestigt sind.
  5. Rührwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührblätter (4) entlang der Rührwellenachse versetzt zueinander radial nach außen weisend an der Rührwelle (2) befestigt sind.
  6. Rührwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührblätter (4) in verschiedenen Umfangswinkeln an der Rührwelle (2) befestigt sind.
  7. Rührwerk nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Rührblätter (4) um gleiche Bruchteile von 360° des Umfangswinkels versetzt zueinander an der Rührwelle (2) befestigt sind.
  8. Rührwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührblätter (4) jeweils zwei Seitenteile und zumindest ein Brückenprofil umfassen, wobei die beiden Seitenteile durch das Brückenprofil miteinander verbunden sind.
  9. Rührwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenteile der Rührblätter (4) senkrecht von der Rührwelle (2) abstehen.
  10. Rührwerk nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die beiden Seitenteile eines Rührblatts in verschiedenen Umfangswinkeln an der Rührwelle (2) angebracht sind.
  11. Rührwerk nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die beiden Seitenteile eines Rührblatts in um rund 15° differierenden Umfangswinkeln an der Rührwelle (2) angebracht sind.
  12. Rührwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Rührwelle (2) um eine beheizbare Rührwelle (2) handelt.
  13. Rührwerk nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der beheizbaren Rührwelle (2) um ein doppelwandiges Rohrsystem handelt.
  14. Rührwerk nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem inneren Rohr um eine Kunststoffleitung handelt, wobei die Kunststoffleitung an den Vorlauf eines Wärme transportierenden Mediums angeschlossen ist.
  15. Rührwerk nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffleitung in der Nähe des fermenterseitigen Rührwellenlagers endet.
  16. Rührwerk nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem äußeren Rohr um ein Metallrohr handelt, wobei das Metallrohr den Rücklauf des Wärme transportierenden Mediums bildet.
  17. Rührwerk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rührwelle (2) Wärmeleitbleche befestigt sind.
  18. Rührwerk nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Rührblätter (4) an den Wärmeleitblechen befestigt sind.
  19. Fermenter für Biomasse umfassend zumindest ein Rührwerk gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
  20. Fermenter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermenter zwei Rührwerke gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 aufweist.
  21. Fermenter nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rührwellen der Rührwerke in einer Ebene liegen.
  22. Fermenter nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Rührwellen der Rührwerke in unterschiedlichem Abstand vom Boden des Fermenters angebracht sind.
  23. Fermenter nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der ersten Rührwelle vom Boden des Fermenters rund das Doppelte des Abstands der zweiten Rührwelle vom Boden des Fermenters beträgt.
  24. Fermenter nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermenter drei Rührwerke gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 aufweist.
  25. Fermenter nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Rührwellen einen Winkel von 120° zueinander einschließen.
  26. Fermenter nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Rührwellen der Rührwerke in unterschiedlichem Abstand vom Boden des Fermenters angebracht sind.
  27. Fermenter nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der ersten Rührwelle vom Boden des Fermenters rund das 1,5fache des Abstands der zweiten Rührwelle vom Boden des Fermenters und rund das 3fache des Abstands der dritten Rührwelle vom Boden des Fermenters beträgt.
  28. Fermenter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermenter vier Rührwerke gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 aufweist.
  29. Fermenter nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Rührwellen einen Winkel von 90° zueinander einschließen.
  30. Fermenter nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Rührwellen der Rührwerke in unterschiedlichem Abstand vom Boden des Fermenters angebracht sind.
  31. Fermenter nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der ersten Rührwelle vom Boden des Fermenters rund 4/3 des Abstands der zweiten Rührwelle vom Boden des Fermenters, rund das Doppelte des Abstands der dritten Rührwelle vom Boden des Fermenters und rund das Vierfache des Abstands der vierten Rührwelle vom Boden des Fermenters beträgt.
  32. Fermenter nach einem der Ansprüche 19 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Rührwelle maximal 75% des Fermenterradius beträgt.
  33. Fermenter nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Rührwelle maximal 66% des Fermenterradius beträgt.
  34. Fermenter nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Rührwelle maximal 50% des Fermenterradius beträgt.
  35. Fermenter nach einem der Ansprüche 19 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Rührwelle mindestens 25% des Fermenterradius beträgt.
  36. Fermenter nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Rührwelle mindestens 33% des Fermenterradius beträgt.
  37. Fermenter nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Rührwelle mindestens 50% des Fermenterradius beträgt.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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