CH624309A5 - - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Verbesserung des Stofftransportes in flüssigen Medien, wie zum Beispiel in begasten Flüssigkeiten, Suspensionen, Emulsionen und/oder Dispersionen, insbesondere Fermentationsbrühen.

Zur Durchführung von Reaktionen in der Flüssigphase ist es erforderlich, die benötigten Reaktanten durch Mischen und/oder Rühren an die Stelle des Reaktionsablaufes zu transportieren und die Reaktionsprodukte zu entfernen. Bei gasförmigen Reaktanten muss das Gas in die flüssige Phase eingebracht und durch die Gas-Flüssigkeitsgrenzschicht an den Ort der Reaktion transportiert werden. Für katalytische Reaktionen sind die Transportwege durch die Verteilung der kataly-tisch wirksamen Substanzen bestimmt; bei Fermentationen durch die Verteilung der Zellen.

Es ist bekannt, vorstehende Reaktionen in Rührwerkskesseln, Umlaufreaktoren, Blasensäulen oder Freistrahlreaktoren durchzuführen. Bei hohen Umsätzen erreichen die zur Erzielung der hohen Transportgeschwindigkeit erforderlichen mechanischen Antriebsleistungen pro m3 Flüssigkeit 5 kW und mehr. Entsprechend müssen auch grosse zusätzliche Wärmeenergien abgeführt werden. Reaktoren mit Rührwerksantrieben erfassen immer nur relativ grosse Teilvolumina des flüssigen Reaktionsgemisches und vermögen nur durch Reflexion der Rührerströme die Teilvolumina weiter aufzuteilen. Suspendierte Katalysatoren oder Mikroorganismen mit ihren mikroskopischen Partikelgrössen lassen abweichende Bewegungen nicht zu. Zur Sicherstellung hoher Stofftransportraten ist jedoch eine intensive Mischung kleinster Bereiche eines Reaktors notwendig. Höhere Drehzahlen bei begasten Rührwerksbehältern führen aber zu Entmischungseffekten durch das auftretende Zentrifugalfeld.

Ferner sind sogenannte Fliessbettverfahren mit höherer Feststoffdichte und Verfahren, in denen Mikroorganismen auf Partikeln aufwachsen, bekannt. Nachteilig ist, dass beim Fliessbettverfahren ein hoher Anteil des Reaktionsraumes durch den Feststoff blockiert wird, dass bei an Partikeln wachsenden Mikroorganismen eine zusätzliche Abtrennung erforderlich wird und nur solche Mikroorganismen eingesetzt werden können, die ausreichende Haftung an den Feststoffoberflächen besitzen.

Die Aufgabe zu vorliegender Erfindung besteht darin, ein Verfahren zu schaffen, durch das der Stoff transport in flüssigen Medien bei minimalem Energieaufwand und besserer Verteilung der eingebrachten Energie durchgeführt werden kann.

Zur Lösung der Aufgabe wurde ein Verfahren zur Verbesserung des Stofftransportes in flüssigen Medien mit Hilfe von inerten Feststoffteilchen, deren spezifisches Gewicht grösser ist als das des flüssigen Mediums, gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Feststoffteilchen dem flüssigen Medium in Mengen von 0,1-10 Vol% zugegeben werden und das Medium in einer solchen Bewegung gehalten wird, dass die Feststoffteilchen schweben.

Dabei hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, das flüssige Medium in einer schlaufenförmigen Bewegung zu halten, das spezifische Gewicht der Feststoffteilchen 1,1—20mal grösser als das des Mediums zu wählen und den mittleren Teil-chendurchmesser auf 0,1-40 mm zu beschränken.

Zur Sicherstellung hoher Stofftransportraten ist eine intensive Mischung kleinster Bereiche eines Reaktors notwendig. Der Zusatz von Feststoffpartikeln von 0,1—40 mm mittleren Durchmessers und einer Dichte, die 1,1—20mal grösser ist als die des flüssigen Mediums bewirkt eine der makroskopischen Strömungsbewegung überlagerte Differenzgeschwindigkeit, die eine innere Durchmischung der makroskopisch erzeugten Teilvolumina bewirkt. Zum Erzielen des erforderlichen Stofftransportes genügt ein Feststoffzusatz von 0,1—10 Vol% des Reaktorinhaltes. Die Reaktorform ist für den Einsatz von Feststoffteilchen belanglos solange strömungsarme Stellen in Bodennähe vermieden werden.

Anhand der Figur, mit der der Verfahrensablauf schematisch dargestellt ist, soll das Verfahren näher erläutert werden. In dem zylindrischen oder konischen Reaktor 1 befindet sich das flüssige Medium, das mit Hilfe einer Umwälzpumpe 3 über die Leitung 2 umgepumpt wird. Dabei verlässt das Medium den Reaktor 1 bei 7 und tritt in denselben bei 12 wieder ein. Über Leitung 5 wird sauerstoffhaltiges Gas in den Reaktor 1 eingeleitet. Der Feststoff kann über den Abluftstutzen 6 zugegeben werden. In der Figur ist der Feststoff durch die Quadrate 10 und das Prozessgas durch die Kugeln 11 dargestellt. Durch die schlaufenförmige Bewegung des flüssigen Mediums werden die Feststoffteilchen 10 in der Schwebe gehalten. Dabei entsteht zwischen jedem Feststoffteilchen und dem flüssigen Medium ein Differenzgeschwindigkeitsfeld, das sich sehr vorteilhaft auf die Durchmischung des flüssigen Mediums auswirkt. Gasblasen, die durch das flüssige Medium aufsteigen und auf die schwebenden Feststoffteilchen aufprallen, werden zu innerer Konvektion angeregt und im um die Feststoffteilchen entstehenden Geschwindigkeitsfeld zur Erneuerung ihrer Grenzfläche gezwungen. Beide Effekte bewirken eine nachhaltige Verbesserung des Stoffüberganges gasförmig-flüssig sowie im Falle der Fermentation von der Flüssigkeit an die Zellen. Vor dem Überlauf 7 kann eine Abtrennvorrichtung für die Feststoffteilchen eingebaut werden (nicht dargestellt). Zum Abführen von Prozesswärme kann in Leitung 2 ein Wärmetauscher 4 eingebaut sein. Bei kontinuierlichem Betrieb wird ein-Teilstrom über Leitung 8 dem Reaktionskreislauf entnommen und über Leitung 9 eine entsprechende Menge frisches flüssiges Medium zugeführt.

Beispiel 1

Zur Herstellung von Candida Lipolytica (ATCC 20383) wurden 2000 1 eines Nährmediums, das n-Paraffin, NH3, Phosphate und andere Salze enthielt, zusammen mit 20 kg Poly-äthylenterephthalat von ca. 3 mm Korndurchmesser in einen Fermenter mit einem Durchmesser von 1 m und einer Höhe von 2,5 m gefüllt und über eine Leitung NW 100 umgepumpt. Die aufgewendete Pumpleistung betrug 0,8 kW/m3 entsprechend einem Volumenstrom von 140 m3/h. Ferner wurden in den Fermenter 72 m3/h Luft von 1 bar eingeleitet.

Nach einer Fermentationszeit von 36 h lagen 27 g Trok-kenmasse pro Liter Nährmedium vor. Die Verdopplungszeit betrug 4 Stunden.

In einem Rührwerksfermenter ähnlicher Grösse (1200 0 x 2500 Höhe) wurden unter sonst gleichen Bedingungen zur Gewinnung von 27 g pro Liter an Trockenmasse 7,8 kW/m3 an mechanischer Antriebsleistung benötigt.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3 624 309

Beispiel 2 • Ohne Zusatz von Feststoff wurde ein volumetrischer Sau-

Zur Sauerstoffanreicherung von Wasser wurden 2000 1 erstoffübertragungskoeffizient ki • a = 320 h-1 erzielt,

sauerstofffreies Wasser durch einen Reaktor, wie im Beispiel 1 In Gegenwart von 20 kg Polyäthylenterephthalat mit ca.

beschrieben, gepumpt und mit 120 Nm3 Luft pro Stunde von 3 mm Korndurchmesser wurde unter sonst gleichen Bedingun-

1,2 bar begast. 5 gen ein k|-a = 400h-1 erzielt.

s

1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

624 309

1. Verfahren zur Verbesserung des Stofftransportes in flüssigen Medien mit Hilfe von inerten Feststoffteilchen, deren spezifisches Gewicht grösser ist als das des flüssigen Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststoffteilchen dem flüssigen Medium in Mengen von 0,1—10 Vol.% zugegeben werden und das Medium in einer solchen Bewegung gehalten wird, dass die Feststoffteilchen schweben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Medium in einer schlaufenförmigen Bewegung gehalten wird.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das spezifische Gewicht der Feststoffteilchen 1,1—20mal grösser ist als das des flüssigen Mediums und der mittlere Teilchendurchmesser 0, L—40 mm beträgt.