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Dienstag, 12. Dezember 2017

Umwelt

Meister der Rührtechnik

Von Bettina Reckter | 31. August 2017 | Ausgabe 35

Mit neuen Mischkonzepten für nahezu alle Branchen erarbeitete sich die Invent Umwelt- und Verfahrenstechnik AG in Erlangen eine Spitzenposition auf dem Weltmarkt.

AdU Invent BU 2
Foto: Invent Umwelt- und Verfahrenstechnik

Installation von Rührwerken am Klärwerk Berlin-Schönerlinde. Die Rippen auf dem bodennah angebrachten Element sorgen für optimale Durchmischung.

Auf die richtige Mischung kommt es an. Viele Produktionsprozesse verlangen, dass feste und flüssige Materialien für die weitere Bearbeitung optimal verrührt werden. Wie aber kann man sichergehen, dass sich keine Klumpen am Behälterrand bilden oder gar am Boden absetzen? Antworten auf solche Fragen hat Marcus Höfken, Vorstandsvorsitzender der Invent Umwelt- und Verfahrenstechnik AG in Erlangen.

Invent Umwelt- und Verfahrenstechnik AG

Seit 1989 entwickelt der Strömungsexperte Rührwerke für die unterschiedlichsten Anwendungen. Damals sei das eine echte Nische gewesen, sagt er, denn niemand habe so recht gewusst, was sich beim Rühren im Innern eines Tanks oder Bioreaktors wirklich abspielt. „Man baute einfach irgendwie geformte Propellerblätter an eine Welle und hoffte, dass schon alles ordentlich durchmischt wurde“, beschreibt Höfken die damals gängige Praxis.

Forschung war also angesagt, das Ziel hoch gesteckt. Denn: „Wir wollten die Rührtechnik revolutionieren“, berichtet Höfken von der Aufbruchsstimmung am Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Uni Erlangen-Nürnberg. Experimente am Versuchsbecken mit gefärbten Flüssigkeiten und diversen Feststoffen wurden durchgeführt, Modelle möglicher Rührelemente aus Messing geformt und flugs zusammengelötet. Dann kam der große Moment der Laser-Doppler-Anemometrie. So gelang es erstmals, Strömung bis ins kleinste Detail zu charakterisieren.

Foto: Invent Umwelt- und Verfahrenstechnik AG

Die Rührtechnik revolutionieren wollte Marcus Höfken, Vorstandsvorsitzender von Invent.

Nun ging es um die Frage, wie sich die Forschungsergebnisse praktisch nutzen ließen. Herausgekommen ist dabei ein völlig neues Konzept: das Hyperboloidrührelement. Charakteristisch ist seine spezielle Form, die an eine Hälfte eines Diabolos erinnert. Diese Geometrie haben die Forscher von den Stromlinien abgeleitet, die sie im Versuch beobachtet hatten, wenn ein Becken ideal durchmischt wird. Auf dem Hyperboloid sitzen strömungsmechanisch optimierte Transportrippen, die für einen hohen Umwälzvolumenstrom im Rührkessel sorgen. So führt das speziell geformte Rührwerk zu einem energieeffizienten Ergebnis.

Die einzig richtige Position für ein solches Rührelement, so fanden die Forscher bei ihren Experimenten heraus, befindet sich in Bodennähe des Beckens. Dort, wo Partikel aufgewirbelt und in Schwebe gehalten werden müssen. „Je höher die Blattzahl des Rührelements, desto gleichmäßiger und sanfter der Energieeintrag ins Medium“, fasst Höfken zusammen.

Mit dem Hyperboloidkonzept wagte der Strömungsmechaniker schließlich den Spin-off aus der Universität. 1995 gründete er in Erlangen die Invent Umwelt- und Verfahrenstechnik AG, die auf Basis seines verfahrenstechnischen Know-hows heute Rührkonzepte für nahezu alle Branchen entwickelt.

Eingesetzt werden sie in der Chemie und Petrochemie, in der Pharma- und Biotechbranche, bei Nahrungsmitteln und Getränken, in der Trink- und Abwassertechnik, der Papier- und Zellstoffherstellung sowie der Halbleiterindustrie.

Mit HyperClassic etwa baut Invent ein mechanisches Rühr- und Begasungssystem für die Abwasserreinigung für Kläranlagen oder Brauereien, das mit den Jahren zur Komplettlösung weiterentwickelt wurde. „Für die wesentlichen Rühraufgaben in der Wasseraufbereitung, also für die Fällung, Flockung und anschließende Suspendierung von Belebtschlamm, ist ein bodennah installiertes, hyperboloidförmiges Rührwerk optimal“, berichtet Höfken. Damit lassen sich Ablagerungen am Boden des Beckens verhindern und Feststoffe aufwirbeln, die in der Flüssigkeit homogen verteilt werden sollen. So konnten die Erlanger Strömungsexperten ein energieeffizientes Rührwerk für die Wasserbranche entwickeln. Zu den Kunden zählen die Kläranlagen von Berlin, Wien, New York, Washington und sogar Schanghai. „Hier sind wir Weltmarktführer“, so Höfken.

Eine spezielle Anforderung an die Technik stellen Meerwasserentsalzungsanlagen. Vor der Behandlung müssen Trübstoffe aus dem Salzwasser entfernt werden, damit die Membranen und Filter der Umkehrosmoseanlagen nicht gleich verstopfen. Invent baute die Fällungs- und Flockungseinheiten für die größten Meerwasserentsalzungsanlagen der Welt – in Australien, den USA und im mittleren Osten.

1990 wurde das erste Rührwerk mit der speziellen Form in der Abwasserreinigung eingebaut. Heute blickt Invent auf viele Anlagen zurück. „Gerade in Ostdeutschland mussten wir kurz nach der Wende viele Anlagen im Bestand sanieren. Ein Neubau ließ sich oftmals nicht finanzieren“, erzählt der Meister der Rührtechnik. Mittlerweile vertreibt die Firma die siebte Generation ihres Rührwerks, das nur noch halb so viel Energie verbraucht wie die erste Version.

In Erlangen wird also beständig optimiert. Wie aber lassen sich Verbesserungen erzielen? „Die Grundform ist eigentlich immer gleich, aber wir haben die Geometrie der Rippen über die Jahre modifiziert“, sagt Höfken. Auch die Fertigungsmethoden wurden verbessert – sowie die verwendeten Materialien. Statt wie üblich Stahl, sei Invent das einzige Unternehmen in der Branche, das faserverstärkten Kunststoff für den Bau der Wellen verwendet. Das bietet gerade beim Einsatz im Meerwasser eine hohe Beständigkeit, da die Wellen und Rührelemente nicht korrodieren.

Für die Kostenstruktur sei das Material unerheblich, die Erlanger Rührwerke seien nicht teurer als andere. Zudem biete man wegen der Energieeffizienz einen hohen Kundennutzen. Denn „bei Kläranlagen trugen konventionelle Rührwerke im anaeroben und anoxischen Becken in der Vergangenheit üblicherweise 6 W/m³ bis 8 W/m³ an Leistung ins Wasser ein“, so Höfken. Das sei die Leistung, die man brauchte, damit sich Feststoffe nicht absetzen und das Wasser gut durchmischt bleibt. Mit dem Hyperboloidrührwerk aber konnte die gleiche Durchmischung mit 1 W/m³ bis 2 W/m³ erreicht werden. Trotz wesentlich geringerem Energieeintrag bleiben die Belebtschlammflocken so sicher in der Schwebe. Bei rund 10 000 Kläranlagen in Deutschland könnten mit der richtigen Rührtechnik bis zu 100 Mio. kW/h eingespart werden, hat Höfkens Team errechnet.

Für die Branche ist das ein wichtiges Signal in Richtung energieautarkes Klärwerk. Auch deshalb geht die Strömungsforschung bei Invent in Erlangen weiter, nun aber eher mit modernen Methoden der Strömungssimulation am PC und einem schnellen Modellbau per 3-D-Drucker.

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