DD287266A5 - Membranreaktor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Membranreaktor zur biotechnologischen Verwertung von Kohlenstoffsubstraten, Filtration des Mediums sowie Rueckhaltung der Biokatalysatoren im Reaktor. Das Ziel der Erfindung besteht darin, einen billig und einfach herzustellenden, leicht austauschbaren Membrantraeger zu finden, der eine hohe mechanische Stabilitaet und Filtrationsleistung bei langer Standzeit der Membran gewaehrleistet. Das wird erreicht mit Hilfe eines oder mehrerer dickwandiger, ineinander geschachtelter Tuben deren Wandung gaenzlich aus Sintermaterial bestehen und mehrere Bohrungen enthalten, die mit Rohrleitungen zur Ableitung des Filtrats verbunden sind, sowie deren Innen- und/oder Auszenflaeche die Membranfilter tragen.{Membranreaktor; Kohlenstoffsubstrat; Filtration; Biokatalysatoren; Membrantraeger; Tuben; biotechnologische Verwertung}

Description

Sinterkörpern werden entweder auf einfache Weise mittels geeigneter Kleber oder Anstrichstoffe wie z. B. Wasserglas oder Latexsuspensionen abgedichtot oder die Stirnfläche in einen Ring z. B. aus V2A-Stahlblech, mit einem U-förmigen Profil unter Bildung eines Hauptsammeikanals eingepaßt und abgedichtet. Die Wandi ng des Tubus enthält zwecks Sammlung und Abführung des Filtrats, Bohrungen. Sie sind flexibel mit Rohrleitungen verbunden, die sowohl für die Ableitung des Filtrats durch den Reaktorboden als auch für die Fixierung und Stabilisierung des Tubus innerhalb des Reaktors verantwortlich sind. In Abhängigkeit von der Tubusgröße und den Materialeigenschaften des Sinters können die Rohrleitungen als Stützstreben bis zum oberen Tubusrand fortgesetzt werden. Das ist z. B. bei Verwendung von weichem Polyethylensinter der Fall. Überhaupt können alle bekannton Sintermaterialien organisch und anorganischen Ursprungs verwendet werden, soweit sie sich gegenüber Mikroorganismen nichttoxisch erweisen und den Substraten und Produkten gegenüber resistent sind, so z.B. auch PVC-, Keramik- oder Metallsinter. Das Gesamtvolumen der aus der Tubuswand ausgebohrten Kanäle soll mindestens 40-90% dor vom Sintermatorial aufnehmbaren Flüssigkeitsmenge entsprechen. Der Abstand des Tubus zur Reaktorwand beträgt in Abhängigkeit von der Reaktorgröße 5 bis 1000 mm. Durch den Einbau von mehreren ineinander geschachtelten Tuben kann die Filtrationsleistung eines Membranreaktors gesteigert werden. Hierbei sollte der Abstand zwischen den einzelnen Tuben in Abhängigkeit von der Reaktorgröße und realisierbaren Überströmungsgeschwindigkeiten an der Membranfläche zwischen 10 und 1000mm betragen.

Die erfindungsgemäßen Tuben sind insbesondere vorgesehen für den Einsatz in Rührkesselreaktoren mit Turbinenrührer. Sie können aber auch in zylinderische Reaktoren mit anderen Umwälzsystemen verwendet werden. Sie stellen eine einfache und billige technische Möglichkeit zur Ausrüstung konventioneller Reaktoren mit Membrantrenntechnik dar. Die Erfindung wird mit folgendem Beispiel näher erläutert:

Beispiel

Ein Rührkesselreaktor (1) mit einem Gesamtvr lumen von 121 wurde mit 2 erfindungsgemäßen tubulären Sinterkörpern (2) aus Hart-PVC-Sinter ausgestattet. Das Sintermaterial hatte einen mittleren Porendurchmesser von 100pm und eine zur Aufnahme der Membranfilter (12) hinreichend glatte Oberfläche. Die obere Stirnfläche (5) war nacheinander mit Wasserglas und durch Plastbeschichtung abgedichtet worden. Die 15mm starke Wand der Sinterkörper enthielt jeweils 6 Bohrungen (9) mit 6mm Durchmesser, die bis 10mm unterhalb der oberen Stirnfläche (5) reichten. Die Bohrungen führten das Filtrat in den jeweiligen Hauptsammelkanal (8), der durch Einpassen der unteren Stirnfläche (6) in den U-förmigen Aufnahmering (7) gebildet wurde. Die Hauptsammeikanäle beider Tuben waren miteinander durch 3 kurze, horizontale Rohre (10) verbunden. Die Fixierung und Stabilisierung der ineinander geschachtelten Tuben erfolgte ausschließlich über 3 vom äußeren Aufnahmering zum Reaktorboden geführten Rohrstutzen (11) mit Schnellverschraubung, durch die das Filtrat ms dem Reaktor abgeführt wurde. Die Abmessungen des Reaktors und seiner Einbauten waren folgende:

Reaktc-Tylinder Höhe	42,0 cm
innerer Durchmesser	19,0 cm
Arbeitsvolumen
(mitFiltratsräume)	8,0!
äußererTubus innerer Durchmesser	14,0 cm
äußerer Durchmesser	17,0 cm
Höhe	30,0 cm
innererTubus innerer Durchmesser	8,0 cm
äußerer Durchmesser	11,0cm
Höhe	30,0 cm
Abstand zwischen den Tuben	1,5cm
Abstand zwischen äußerem Tubus und Reaktorwand	1,0 cm
Turbinenrührdurchmessermax.	5,0 cm
Tubusabstand zum Reaktorboden	3,0 cm

Der Reaktor war mit kommerzieller Regelungstechnik und mit Leitungssystemen für den kontinuierlichen anäroben wie auch groben Betrieb ausgerüstet. Die Heistellung und Ausstattung des Reaktors mit den erfindungsgemäßen Sinterkörpern war gegenüber bekannten technischen Lösungen mit einer wesentlichen Einsparung an Material und Zeit verbunden. Obwohl 2 Membranträger verwendet wurden, betrug der zu ihrer Fertigung und dem Einbau in den Reaktor benötigten Zeitaufwand nur 90% des Aufwandes, der für die Realisierung eines Reaktors mit einem doppelwandigen Hohlzylinder als Membranträger nach DD-WP 241915 A1 erforderlich war. Die hierbei erhaltene Filterfläche stellt für Membranreaktoren dieser Größenordnung einen Spitzenwert dar. In Versuchen zur kontinuierlichen Vergärung von Ethanol konnten mit Hilfe des Ausführungsbeispiels eine Filtratleistung von 3,6l/h und eine Verweilzeit für die flüssige Phase von T = 2,2 h unter Verwendung von Celluloseacetatmembranen erzielt werden.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   1. Membranreaktor zur biotechnologischen Verwertung von Kohlenstoffsubstraten, Filtration des Mediums und Rückhaltung der Biokatalysatoren im Reaktor, gekennzeichnet dadurch, daß in einem Reaktpi (1) ein oder mehrere ineinandergeschachtelte tubuläre Sinterkörper (2), die mit Bohrungen (9) zur Ableitung des Filtrats versehen und mit Rohrleitungen (10/11) verbunden sind, welche in den Hauptsammeikanal (8) mündend angeordnet sind, und daß die Innen- (3} und/oder Außenwand (4) der tubulären Sinterkörper (2) mit einem Membranfilter (12) bedeckt ist.
2. 2. Membranreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die tubulären Sinterkörper (2) aus organische η Material, wie Polymerisate von Flourkohl6nwasserstoffen, Chlorkohlenwasserstoffen, Ethylen, Propylen, Styren u.a., bestehen.
3. 3. Membranreaktor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die tubulären Sinterkörper aus anorganischem Material, wie Metalle, Metallegierung, Keramik, Silikatghs, Glas u. a., bestehen.

   Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft einen Membranreaktor zur bioterhnoloflischen Verwertung von Kohlenstoffsubstraten, Filtration des Mediums sowie Rückhaltung der Biokatalysatoren ·:η Reaktor. Sie ist besonders geeignet für die diskontinuierliche oder kontinuierliche Gewinnung von Ethanol aber auch für die Durchführung anderer Produktionssynthesen, bei denen die Rückhaltung der die Synthese bewirkenden mobilen oder immobilisierten Enzyme oder Multienzymsysteme bjw. Mikroorganismen von Interesse ist sowie für die Produktion von mikrobiellen Biomassen aus verdünnten Substraten.

   Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

   Membranreaktoren zur biotechnologischen Verwertung von Kohlenstoffsubstraten, zur Filtration des Mediums sowie zur Gewinnung bzw. Rückhaltung der Biokatalysatoren sind bekannt (GB-PS 2097817, US 568674, JA-PS 54132-291). Sie stellen die apparative Einheit von Reaktor und Me;ribranfilterzelie dar.

   Spezielle Einbauten, die die Membran tragen, übernehmen die Filtrationsaufgabe, so daß die oben genannten Prozeßstufen simultan und am gleichen Ort ablaufen können. Nach einer Ausführung (A.Margeritis, C.R.Wilkes, Biotechnol. Bioeng. 20, 709 [1978]) handelt es sich um einen rotierenden zylinderischen Körper, der sowohl die Durchmischung als auch die Filtration des Reaktorinhalts und die Rückhaltung der Mikroorganismen bewirkt. Nachteile dieser Ausführung sind die mit der relativ kleinen Filterfläche gekoppelten geringe Filtrationsleistung sowie technische Schwierigkeiten, die sowohl bei der Fertigstellung als auch beim Austausch des Membranrotors inhezug auf die Abdichtung und Zentrierung auftreten. Eine andere Ausführung (DD-WP 241915) zeichnet sich durch eine wesentlich größere Filterfläsche mit höherer Filtrationsleistung aus, und zwar wird dies durch den Einbau eines statischen doppelwnndigen Hohlzylinders erreicht, dessen Innen- und Außenmantel die Membranfiltei tragen. In dem von dem Innen- und Außenmantel umschlossenen Zwischenraum sammelt sich das Filtrat an und wird über Rohrleitungen abgeführt. Nachteile dieser Ausführung sind Probleme bei der Fertigung des doppelwandigen Hohlzylinders, wie das Verkleben bzw. Verschweißen der Mantelfläschen aus perforiertem Edelstahl oder aus Sintermaterialien (Materialschwund) und seine bei größeren Ausführungen unzureichende mechanische Stabilität, die durch zusätzliche Verstrebungen verbessert werden muß. Eine weitere Reaktorausführung (DE-OS 3519563) besitzt ein röhrenförmiges Matrixelement mit einem komplizierten Aufbau zur Fixierung von Reaktanten und Filtration von Reaktionsprodukten. Das Matrixelement besteht aus konzentrischen Schichten aut keramischem Material mit unterschiedlichen Porengrößen. Es wirkt als Tiefenfiltor und weist die für Tiofenfilter typischen Nachteile wie der diskontinuierlichen Arbeitsweise durch progressive Verstopfung der Poren und abnehmender Filtrationsleistung auf.

   Ziel der Erfindung

   Ziel der Erfindung ist die Entwicklung eines Membranreaktors mit einem Filtrationsteil, der sich durch Einfachheit im Aufbau und in der Fertigung sowie durch eine gute mechanische Stabilität und große Filterfläche und kostengünstiger Herstellung auszeichnet.

   Wesen der Erfindung

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen leistungsfähigen leicht austauschbaren Filtrationsteil mit einer speziellen geometrischen Anordnung aus geeigneten Materialien für Membranreaktoren zu entwickeln. Das wird erfindungsgemäß durch die Verwendung eines oder mehrerer ineinander geschachtelter dickwandiger Tuben erreicht, deren Wandung gänzlich aus Sintermaterial besieht. Die Innen- und Außenflächen des Tubus können mit Membranfiltern belegt werden. Hierbei werden dio Membranfilter bei kleinen Ausführungen an den oberen und unteren Tubusrand angeklebt und durch Halteringe innen wie außen abgedichtet und fixiert. Die obere und untere Stirnfläche von insbesondere größeren