DE102004049718A1 - Vorrichtung zur diffusiven Entfernung und/oder zum diffusiven Eintrag - Google Patents

Vorrichtung zur diffusiven Entfernung und/oder zum diffusiven Eintrag Download PDF

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur diffusiven Entfernung und/oder zum diffusiven Eintrag eines flüssigen oder gasförmigen ersten Stoffes aus oder in einen flüssigen oder gasförmigen zweiten Stoff vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse (1, 16, 21) mit Zuführungen (2, 4, 15, 18) und/oder Ableitungen (3, 5, 19) für den ersten und den zweiten Stoff an dem Gehäuse (1, 16, 21) und eine Hohlkörperanordnung aus Sintermetall (6, 10, 17, 20) mit einer Polymerbeschichtung (8, 13, 21) auf.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur diffusiven Entfernung und/oder zum diffusiven Eintrag eines flüssigen oder gasförmigen ersten Stoffes aus oder in einen flüssigen oder gasförmigen zweiten Stoff und von einem Verfahren zur Herstellung einer polymerbeschichteten Sintermetall-Hohlkörperanordnung.
  • Derartige Vorrichtungen werden zum Trennen von Stoffen durch Diffusion oder zum Einbringen eines Stoffes in einen anderen Stoff durch Diffusion verwendet. So können beispielsweise Lösungsmittelreste aus Wasser entfernt werden.
  • Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet derartiger Vorrichtungen stellt die Biofermentationstechnik dar. Auf diesem Anwendungsgebiet ermöglicht die Vorrichtung den blasenfreien Austausch von in einem Flüssigmedium gelöstem CO2 gegen O2.
  • In der Fermentationstechnik muß den Organismen bei aerobem Zellstoffwechsel kontinuierlich O2 zugeführt und entstandenes CO2 aus der Kulturbrühe entfernt werden.
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, das O2 als Gasgemisch am Boden eines Fermenters einzubringen. Die sauerstoffreichen Gasblasen steigen durch die Flüssigphase in den gasgefüllten Kopfraum des Fermenters auf. Aufgrund des aeroben Zellstoffwechsels verarmt die Flüssigkeit an O2 und reichert sich mit CO2 an. Die Flüssigphase wird dabei kontinuierlich gerührt, um Konzentrationshomogenität hinsichtlich gelöster Stoffe und Schwebstoffe zu schaffen und gleichzeitig die Grenzfläche zwischen Luftblasen und Flüssigphase zu erhöhen. Die Größe der Grenzfläche zwischen Luftblasen und Flüssigphase hängt vom Blasendurchmesser und vom Blaseninnendruck ab. Die aufsteigenden Blasen können bei Anwesenheit entsprechender schaumbildender Substanzen zu Schaumbildung führen. Die Abluft aus dem Kopfraum wird durch einen Filter in die Atmosphäre geleitet. Der Gasübergang durch die Grenzfläche zwischen Luftblasen und Flüssigkeit ist stark von der Konzentration der Gase abhängig. Eine Begasung mit reinem O2 auf diese Weise würde zur Schädigung von Zellen führen. Üblicherweise werden daher zusammen mit dem Sauerstoff große Mengen inerten Stickstoffes durch den Fermenter geschleust.
  • Ferner sind aus dem Stand der Technik Tauchmembranen für die blasenfreie Begasung von Kulturbrühen bekannt, welche aus polymeren Hohlfasern bestehen. Als nachteilig erweist sich hierbei, dass die Hohlfasern häufig durch die Kulturbrühe angegriffen werden und sich auflösen.
  • Die Erfindung und ihre Vorteile
  • Demgegenüber hat die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 den Vorteil, dass die aus Sintermetall hergestellte Hohlkörperanordnung eine mechanisch, chemisch und thermisch widerstandsfähige Trägerstruktur für die Polymerbeschichtung darstellt. Selbst bei beschädigter Polymerbeschichtung wird der Austausch von Partikeln größer als der Porendurchmesser des Sintermetalls verhindert. Die Vorrichtung ist autoklavierbar. Das Sintermetall ist verglichen mit anderen Materialien leicht herzustellen und zu verarbeiten.
  • Die Polymerbeschichtung kann auf die Sintermetall-Hohlkörperanordnung beispielsweise durch eine nasschemisches Verfahren oder durch ein elektrostatisches Pulversprühverfahren aufgebracht werden.
  • Die Hohlkörperanordnung besteht aus einem Bündel offenporiger radial symmetrischer oder asymmetrischer Sintermetallröhren oder -fasern oder aus einer Hohlkanalmatte mit Sintermetallvlies. Die Hohlkörper sind auf der flüssigmedienberührten Seite mit einem dünnen geschlossenen Film eines für die durchzuschleusenden Gase besonders hochpermeablen Polymers beschichtet sind. Dabei kann es sich beispielsweise um Polymethylpenten, Flurpolymere oder Silikon basierte Polymere handeln.
  • Das Gehäuse der Vorrichtung besteht aus Metall und ist druckdicht ausgebildet. Die Hohlkörperanordnung ist form- oder reibschlüssig oder durch thermische Verfahren wie Löten oder Schweißen mit dem Gehäuse verbunden.
  • Die Hohlkörperanordnung trennt die beiden Bereich voneinander, welche von den beiden Stoffen durchströmt sind.
  • Die Vorrichtung kann zur Biofermentation eingesetzt werden. In diesem Fall ermöglicht sie eine Entgasung und eine blasenfreie Begasung einer Flüssigphase. Die Vorrichtung ist resistent gegen Kulturbrühen. Die Begasung von Kulturbrühen kann in diesem Fall auch ohne Stickstoff erfolgen. Das in die Vorrichtung durch den Gaseinlaß einströmende Gas enthält die diffusiv in die Flüssigkeit einzulösende Komponente bei höherem Partialdruck als das durch den Gasauslaß ausströmende Gas. Dieses ausströmende Gas enthält die diffusiv aus der Flüssigkeit zu entfernende Komponente. Der Gasaustausch erfolgt in Form von Diffusion einzelner Gasmoleküle durch die geschlossene Polymerschicht. Antrieb hierfür ist ein Konzentrations- bzw. Partialdruckgradient des diffundierenden Gases zwischen Gasbereich und Flüssigkeitsbereich. Der Betrieb bei beidseitigen Drücken größer Atmosphärendruck ist vorgesehen, um die Konzentrationsgradienten und damit die Stoffdurchgangsraten zu erhöhen.
  • Die Flüssigkeit kann unter Durchströmung der Vorrichtung mittels einer Pumpe im Kreis geführt werden. Ein Rührer ist in diesem Fall nicht unbedingt notwendig. Dies führt zu Kostenersparnis. Das austretende Gas wird abgeführt. Dieses kann anschließend einer sorptiven Aufarbeitung, einem Stripping oder der Atmosphäre zugeführt werden.
  • Zur Erzeugung des Polymerfilmes auf der Hohlkörperanordnung aus Sintermetall werden Polymerpartikel, zum Beispiel Polymergranulatstaub, auf die metallische Oberfläche aufgebracht. Die Partikel haften durch elektrostatische Anziehung an der Oberfläche und werden thermisch zu einem Film verschmolzen. Die Polymerfilmeigenschaften werden dabei neben der Polymerart durch die Filmdicke und Oberflächenrauheit vorgegeben. Diese hängen ab von der Granulatform, der Staubstrompartikelbeladung, dem elektrischen Ladungsunterschied zwischen Partikel und Metalloberfläche bzw. der Ladung des Polymerpartikels in dem die Metalloberfläche umgebenden elektrischen Feld, der thermischen Einwirkzeit und -intensität. Für die Anwendung im Biofermentationsbereich ist die Verwendung sehr kleiner kugelförmiger Polymergranulatpartikel vorgesehen, um einen besonders glatten und gegen Biofouling resistenten Polymerfilm zu erzeugen.
  • Vorteile Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnung, der nachfolgenden Beschreibung und den Ansprüchen zu entnehmen.
  • Zeichnung
  • In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. Teile derselben dargestellt. Die Zeichnung ist im folgenden erläutert. Es zeigen:
  • 1 Vorrichtung zur diffusiven Entfernung eines ersten Gases aus und zum diffusiven Eintrag eines zweiten Gases in eine Flüssigkeit im Schnitt,
  • 2 Röhre aus einer Vorrichtung gemäß 1 im Längsschnitt,
  • 3 Hohlkanalmatte für eine Vorrichtung zur diffusiven Entfernung eines ersten Gases aus und zum diffusiven Eintrag eines zweiten Gases in eine Flüssigkeit, Schnittdarstellung,
  • 4 weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Zugabe oder zum Absaugen eines Fluids
  • 5 polymerbeschichteter einseitig offener Sintermetallhohlkörper.
  • Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt eine Vorrichtung zur diffusiven Entfernung eines ersten Gases aus und zum diffusiven Eintrag eines zweiten Gases in eine Flüssigkeit in einer Schnittdarstellung. In einem druckfesten Gehäuse 1 sind ein Gaseinlass 2, ein Gasauslass 3, ein Flüssigkeitseinlass 4 und ein Flüssigkeitsauslass 5 vorgesehen. Darüber hinaus sind mehrere parallel verlaufende Röhren 6 aus Sintermetall in dem Gehäuse 1 angeordnet. Die Flüssigkeit strömt durch den Flüssigkeitseinlass 4 in das Gehäuse 1 ein und gelangt über die Röhren 6 zum Flüssigkeitsauslass 5. Der Zwischenraum 9 zwischen den Röhren 6 ist von dem Gas durchströmt, welches über den Gaseinlass 2 in das Gehäuse 1 gelangt. Die Bereiche in unmittelbarer Nähe zum Flüssigkeitseinlass 4 und zum Flüssigkeitsauslass 5 sind über Dichtungen 7 gegen den gasdurchströmten Zwischenraum zwischen den Röhren 6 abgedichtet.
  • 2 zeigt eine Röhre 6 der Vorrichtung gemäß 1 in einem Längsschnitt. Die aus Sintermetall bestehende Röhre 6 dient als Trägerstruktur für eine Polymerbeschichtung 8 an der Innenseite der Röhre 6. Im Anwendungsfall durchströmt eine Flüssigkeit die Röhre 6 von links nach rechts. In dieser Flüssigkeit ist ein erstes Gas gelöst, welches durch die Polymerbeschichtung und die Röhre 6 diffundiert und in den die Röhre umgebenden Zwischenraum 9 gelangt. Darüber hinaus diffundiert ein zweites Gas, welches über den Gaseinlass 2 gemäß 1 in den Zwischenraum 9 gelangt ist, durch die Röhre 6 und die Polymerbeschichtung 8 hindurch in die Röhre hinein und löst sich in der dort strömenden Flüssigkeit. Bei einer Biofermentation handelt es sich bei der Flüssigkeit um eine Kulturbrühe, bei dem ersten Gas um CO2 und bei dem zweiten Gas um O2.
  • 3 zeigt eine Hohlkanalmatte 10 mit einem Metallgewebe 14 und einem asymmetrischen Sintermetallvlies 11. Eine derartige Hohlkanalmatte kann als Hohlkörperanordnung in eine Vorrichtung zur diffusiven Entfernung eines ersten Gases aus und zum diffusiven Eintrag eines zweiten Gases in eine Flüssigkeit eingesetzt werden. Eine derartige Vorrichtung unterscheidet sich in ihrem Aufbau von einer Vorrichtung gemäß 1. Dieses zweite Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Das Sintermetallvlies 11 bildet Zwischenräume aus, welche als Kanäle 12 für eine Flüssigkeit dienen. An der den Kanälen 12 zugewandten Seite ist das Sintermetallvlies 11 mit einer Polymerbeschichtung 13 versehen.
  • 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung. Sie dient zum Absaugen eines Fluids oder zur Zugabe eines Fluids. Das erste Fluid gelangt über den Fluideinlaß 15 in das Gehäuse 16. Die Hohlkörperanordnung besteht aus Sintermetallröhren 17, welche mit einem Polymer beschichtet sind. Über den zweiten Fluideinlaß 18 gelangt ein zweites Fluid in das Gehäuse 16 und diffundiert durch die polymerbeschichteten Sintermetallröhren 17 in das erste Fluid, so dass eine Mischung aus ersten und zweiten Fluid entsteht. Dieses verlässt das Gehäuse 16 durch den Fluidauslaß 19.
  • Darüber hinaus kann die Vorrichtung gemäß 4 zum Absaugen eines Fluids verwendet werden. In diesem Fall gelangt eine Fluidmischung aus einem ersten und einem zweiten Fluid durch den Fluideinlaß 15 in das Gehäuse. Das erste Fluid diffundiert durch die polymerbschichteten Sintermetallröhren 17 und verlässt das Gehäuse 16 durch den Fluidauslaß 18. Das zweite Fluid verlässt das Gehäuse 16 durch den Fluidaulaß 19.
  • In 5 ist ein polymerbeschichteter einseitig offener Sintermetallhohlkörper 20 dargestellt. Dieser ist mit einer Polymerbeschichtung 21 versehen und in ein Gehäuse 22 eingesetzt. Der Sintermetallhohlkörper kann genauso eingesetzt werden, wie die Vorrichtung gemäß 4.
  • Sämtliche Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch im beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
    • 1
    Gehäuse
    2
    Gaseinlass
    3
    Gasauslass
    4
    Flüssigkeitseinlass
    5
    Flüssigkeitsauslass
    6
    Sintermetallröhre
    7
    Dichtung
    8
    Polymerbeschichtung
    9
    Zwischenraum zwischen den Sintermetallröhren
    10
    Hohlkanalmatte
    11
    Sintermetallvlies
    12
    Kanal
    13
    Polymerbeschichtung
    14
    Metallgewebe
    15
    Fluideinlaß
    16
    Gehäuse
    17
    polymerbeschichtete Sintermetallröhren
    18
    Fluideinlaß und Fluidauslaß
    19
    Fluidauslaß
    20
    Sintermetallhohlkörper
    21
    Polymerbeschichtung
    22
    Gehäuse

Claims (12)

  1. Vorrichtung zur diffusiven Entfernung und/oder zum diffusiven Eintrag eines flüssigen oder gasförmigen ersten Stoffes aus oder in einen flüssigen oder gasförmigen zweiten Stoff, mit einem Gehäuse (1, 16, 21), mit Zuführungen (2, 4, 15, 18) und/oder Ableitungen (3, 5, 19) für den ersten und den zweiten Stoff an dem Gehäuse (1, 16, 21), mit einer Hohlkörperanordnung aus Sintermetall (6, 10, 17, 20) mit einer Polymerbeschichtung (8, 13, 21) an der Sintermetall-Hohlkörperanordnung (6, 10, 17, 20), welche selektiv permeabel im Bezug auf die genannten Stoffe ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörperanordnung aus einem Bündel von Röhren (6, 17) oder Hohlfasern besteht.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörperanordnung aus einer Hohlkanalmatte (10) besteht.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkanalmatte (10) aus einem Metallgewebe (14) und einem Metallvlies (11) besteht, und dass die Hohlkanäle (12) an den Grenzflächen zwischen zwei benachbarten Metallvliesen (11) ausgebildet sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung (8, 13) an der Innenseite der Höhlkörper (6, 12) vorgesehen ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Polymer Polymethylpenten vorgesehen ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Polymethylpenten-Beschichtung (8, 13) zwischen 10 μm und 100 μm beträgt.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser der Hohlkörper (6, 12) zwischen 1,0 und 2,0 mm beträgt.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Porengröße des Sintermetalls 1 bis 2 μm beträgt.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) druckfest ausgebildet ist.
  11. Verfahren zur Herstellung einer polymerbeschichteten Sintermetall-Hohlkörperanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung durch ein nasschemisches Verfahren auf die Sintermetall-Hohlkörperanordnung aufgebracht wird.
  12. Verfahren zur Herstellung einer polymerbeschichteten Sintermetall-Hohlkörperanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerbeschichtung durch ein elektrostatisches Pulversprühverfahren auf die Sintermetall-Hohlkörperanordnung aufgebracht wird und das Polymer anschließend durch Erwärmung auf die Sintermetall-Hohlkörperanordnung aufgeschmolzen wird.
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