DD287266A5

DD287266A5 - MEMBRANE REACTOR

Info

Publication number: DD287266A5
Application number: DD33219689A
Authority: DD
Inventors: Hans-Dieter Repp; Bernhard Sinnreich; Volker Tenkhoff; Gerhard Kerns; Matthias Zickmantel
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1989-08-30
Filing date: 1989-08-30
Publication date: 1991-02-21

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}The invention relates to a membrane reactor for the biotechnological utilization of carbon substrates, filtration of the medium and retention of the biocatalysts in the reactor. The aim of the invention is to find a cheap and easy to manufacture, easily replaceable membrane carrier, which ensures a high mechanical stability and filtration performance with a long service life of the membrane. This is achieved by means of one or more thick-walled, nested tubes whose walls consist wholly of sintered material and contain several holes that are connected to pipes for the discharge of the filtrate, and their inner and / or Auszenflaeche carry the membrane filter. {Membrane reactor; Carbon substrate; filtration; biocatalysts; Membrantraeger; tubes; biotechnological exploitation}

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.Sintered bodies are either in a simple manner by means of suitable adhesives or paints such. As water glass or latex suspensions sealed or the end face in a ring z. B. V2A sheet steel, fitted with a U-shaped profile to form a main collection channel and sealed. The wall of the tube contains holes for the collection and removal of the filtrate. They are flexibly connected to pipelines, which are responsible both for the discharge of the filtrate through the reactor bottom and for the fixation and stabilization of the tube within the reactor. Depending on the tube size and the material properties of the sinter, the pipes can be continued as support struts up to the upper edge of the tube. This is z. B. when using soft polyethylene sinter the case. In general, all bekannton sintered materials of organic and inorganic origin can be used insofar as they are non-toxic to microorganisms and are resistant to the substrates and products, e.g. also PVC, ceramic or metal sinter. The total volume of channels drilled out of the tube wall should be at least 40-90% of the liquid volume that can be absorbed by the sintering fluid. The distance between the tube and the reactor wall is 5 to 1000 mm, depending on the size of the reactor. By incorporating several nested tubes, the filtration performance of a membrane reactor can be increased. In this case, the distance between the individual tubes should be between 10 and 1000 mm, depending on the size of the reactor and achievable overflow velocities at the membrane surface.

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:The tubes according to the invention are in particular intended for use in stirred tank reactors with turbine stirrer. But they can also be used in cylindrical reactors with other circulation systems. They represent a simple and inexpensive technical possibility for equipping conventional reactors with membrane separation technology. The invention is explained in more detail with the following example:

example

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:A stirred tank reactor (1) with a total volume of 121 was equipped with 2 tubular sintered bodies (2) according to the invention made of hard PVC sinter. The sintered material had an average pore diameter of 100 pm and a surface which was sufficiently smooth to receive the membrane filters (12). The upper end face (5) had been successively sealed with water glass and plastic coating. The 15mm thick wall of the sintered bodies each contained 6 holes (9) with 6mm diameter, which reached to 10mm below the upper end face (5). The bores led the filtrate into the respective main collecting channel (8) formed by fitting the lower end face (6) into the U-shaped receiving ring (7). The main collection channels of both tubes were connected together by 3 short horizontal tubes (10). The fixation and stabilization of the nested tubes was carried out exclusively via 3 from the outer receiving ring to the reactor bottom outgoing pipe socket (11) with quick-fitting, through which the filtrate was discharged ms the reactor. The dimensions of the reactor and its internals were as follows:

Reaktc-Tylinder HöheReaktc cylinder height 42,0 cm42.0 cm innerer Durchmesserinner diameter 19,0 cm19.0 cm Arbeitsvolumenworkload (mitFiltratsräume)(MitFiltratsräume) 8,0!8.0! äußererTubus innerer Durchmesserouter tube inner diameter 14,0 cm14.0 cm äußerer Durchmesserouter diameter 17,0 cm17.0 cm Höheheight 30,0 cm30.0 cm innererTubus innerer Durchmesserinner tube inner diameter 8,0 cm8.0 cm äußerer Durchmesserouter diameter 11,0cm11,0cm Höheheight 30,0 cm30.0 cm Abstand zwischen den TubenDistance between the tubes 1,5cm1.5cm Abstand zwischen äußerem Tubus und ReaktorwandDistance between outer tube and reactor wall 1,0 cm1.0 cm Turbinenrührdurchmessermax.Turbinenrührdurchmessermax. 5,0 cm5.0 cm Tubusabstand zum ReaktorbodenTube distance to the reactor bottom 3,0 cm3.0 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.The reactor was equipped with commercial control technology and with piping systems for continuous anaerobic as well as coarse operation. The Heistellung and equipment of the reactor with the sintered bodies according to the invention was associated with known technical solutions with a significant saving of material and time. Although 2 membrane carriers were used, the time required for their production and installation in the reactor only 90% of the effort that was required for the realization of a reactor with a double-walled hollow cylinder as a membrane support according to DD-WP 241915 A1. The filter surface obtained in this case represents a peak value for membrane reactors of this size. In experiments for the continuous fermentation of ethanol, a filtrate output of 3.6 l / h and a residence time for the liquid phase of T = 2.2 h using Cellulose acetate membranes are achieved.

Claims

claims:

1. Membrane reactor for the biotechnological utilization of carbon substrates, filtration of the medium and retention of the biocatalysts in the reactor, characterized in that in a Reaktpi (1) one or more nested tubular sintered body (2) provided with holes (9) for discharging the filtrate and are connected to pipes (10/11) which are arranged in the main collecting channel (8), and that the inner (3) and / or outer wall (4) of the tubular sintered bodies (2) covered with a membrane filter (12) is.

2. Membrane reactor according to claim 1, characterized in that the tubular sintered body (2) of organic η material, such as polymers of Flourkohlenehydrogens, chlorinated hydrocarbons, ethylene, propylene, styrene, etc., exist.

3. Membrane reactor according to claim 1, characterized in that the tubular sintered body of inorganic material, such as metals, metal alloy, ceramic, Silikatghs, glass u. a., exist.

For this 2 pages drawings

Field of application of the invention

The invention relates to a membrane reactor for the biothenoloflischen utilization of carbon substrates, filtration of the medium and retention of the biocatalysts: η reactor. It is particularly suitable for the discontinuous or continuous extraction of ethanol but also for carrying out other production syntheses in which the retention of the synthesis-causing mobile or immobilized enzymes or multi-enzyme systems bjw. Microorganisms of interest as well as for the production of microbial biomass from dilute substrates.

Characteristic of the known technical solutions

Membrane reactors for the biotechnological utilization of carbon substrates, for the filtration of the medium and for the recovery or retention of the biocatalysts are known (GB-PS 2097817, US 568674, JA-PS 54132-291). They represent the unit of apparatus of reactor and membrane ribranfilterzelie.

Special internals, which carry the membrane, take over the filtration task, so that the above-mentioned process stages can proceed simultaneously and in the same place. According to one embodiment (A.Margeritis, C.R. Wilkes, Biotechnol., Bioeng., 20, 709 [1978]), it is a rotating cylindrical body which effects both the mixing and filtration of the reactor contents and the retention of the microorganisms. Disadvantages of this design are coupled with the relatively small filter surface low filtration performance and technical difficulties that occur both in the completion and the replacement of the membrane rotor inept on the sealing and centering. Another version (DD-WP 241915) is characterized by a much larger filter bottle with higher filtration performance, and this is achieved by the installation of a static doppelwnndigen hollow cylinder whose inner and outer jacket wear the Membranfiltei. In the space enclosed by the inner and outer shells, the filtrate collects and is discharged via pipelines. Disadvantages of this embodiment are problems in the production of the double-walled hollow cylinder, such as the bonding or welding of the sheaths made of perforated stainless steel or sintered materials (material shrinkage) and its in larger versions insufficient mechanical stability, which must be improved by additional bracing. Another reactor design (DE-OS 3519563) has a tubular matrix element with a complicated structure for fixing reactants and filtration of reaction products. The matrix element consists of concentric layers aut ceramic material with different pore sizes. It acts as a depth filter and has the typical Tiofenfilter disadvantages such as the discontinuous operation by progressive clogging of the pores and decreasing filtration performance.

Object of the invention

The aim of the invention is the development of a membrane reactor with a filtration part, which is characterized by simplicity in construction and in production and by a good mechanical stability and large filter surface and cost-effective production.

Essence of the invention

The invention has for its object to develop a powerful easily replaceable filtration part with a special geometric arrangement of suitable materials for membrane reactors. This is achieved according to the invention by the use of one or more nested thick-walled tubes, the wall of which is entirely made of sintered material. The inner and outer surfaces of the tube can be covered with membrane filters. In this case, the membrane filters are glued to the upper and lower tube edges in small versions and sealed and secured by retaining rings inside and outside. The upper and lower face of particular larger