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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Reduktion der Schaumbildung sowie zum Eintrag eines gasförmigen Mediums in Reaktoren.
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Reaktor bezeichnet einen Behälter, in welchem unter üblicherweise definierten Bedingungen bestimmte Reaktionen ablaufen. Ein üblicher Reaktor der chemischen Verfahrenstechnik ist der Rührbehälter, in dem chemische Reaktionen in flüssiger Phase durchgeführt werden. Als Bioreaktoren werden Reaktoren bezeichnet, die dazu verwendet werden, lebende Zellen in einem Nährmedium, das auch als Fermenterbrühe bezeichnet wird, zu kultivieren. Bei chemischen und biochemischen Reaktionen von in wässriger Lösung befindlichen Stoffen kommt es häufig zur Bildung von Gasblasen, die aufgrund ihres geringeren spezifischen Gewichtes an die Oberfläche der Flüssigkeit aufsteigen, ein Vorgang der zur Schaumbildung auf dem Flüssigkeitsspiegel führt. Insbesondere kommt es bei Fermentierungsprozessen in Bioreaktoren oder Fermentern unter Verwendung von Mikroben, wie Bakterien und Hefepilzen, vorwiegend aufgrund der Abscheidung von Kohlendioxid zu einer intensiven Schaumbildung auf der Oberfläche der Fermenterbrühe.
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Die Schaumentwicklung in Reaktoren, insbesondere Bioreaktoren, ist ein häufiges Problem in der Verfahrenstechnik. Der gebildete Schaum kann veränderte Reaktionsbedingungen hervorrufen oder zu- und ableitende Rohre verstopfen. Daher sind verschiedene thermische, chemische oder mechanische Methoden zur Verminderung der Schaumbildung bekannt. Eine einfache Methode zur Verhinderung der Nebenwirkungen der Schaumbildung liegt darin, das Reaktorvolumen nur anteilig mit Medium zu befüllen. Dies führt jedoch zu einer verringerten Auslastung der Reaktoren. Thermische Verfahren zur Schaumverminderung sehen beispielsweise vor, Dampf auf bzw. über den Schaum zu leiten. Dies ist jedoch mit einem Energieeintrag und entsprechend hohen Kosten verbunden. Chemische Methoden beruhen auf der Zugabe eines Antischaummittels in das Medium, das jedoch die Reaktionsbedingungen beeinflussen und das Endprodukt kontaminieren kann. Bei mechanischen Methoden wird die Schaumbildung weitgehend ungehindert zugelassen, und der gebildete Schaum abgesaugt. Auch hierdurch entstehen hohe Betriebs- und Investitionskosten. Neben chemischen Reaktoren ist eine Schaumbildung auch in alltäglichen flüssigkeitsgefüllten Behältern nachteilig. Die
WO 2014/047697 A1 offenbart beispielsweise Flaschen mit Mitteln zur Vermeidung des übermäßigen Sprudelns Kohlensäure-haltiger Getränke, wobei der der Flaschenhals mit einer hydrophoben Beschichtung versehen ist. Es besteht ein weiterer Bedarf an Verfahren zur Reduktion der Schaumbildung in Reaktoren und Bioreaktoren.
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Das flüssigförmige Reaktionsmedium in Reaktoren muss andererseits häufig auch mit einem Gas oder einem gasförmigen Reaktanden wie Sauerstoff versorgt werden. Derartige Gase lösen sich generell relativ schlecht in wässrigen Phasen. Der Sauerstoffeintrag erfolgt in der Regel über die Zufuhr einer sauerstoffhaltigen Gasphase, die in intensiven Kontakt mit dem Reaktionsmedium gebracht wird, um Sauerstoff aus der Gasphase in die sich im Reaktor befindende Flüssigkeitsphase einzutragen. Zur Verbesserung der Versorgung eines Reaktionsmediums wird bisher in der Verfahrenstechnik mit möglichst kleinen Gasblasen versucht, die Phasengrenzfläche zu erhöhen, und mit idealer Durchmischung den Konzentrationsgradienten möglichst hoch zu halten. Dies geschieht zumeist über den Einsatz höherer Drücke und/oder der Erhöhung der Phasengrenzfläche gas/flüssig, über die der Sauerstoff transportiert werden muss, mit Hilfe geeigneter Gasdispersionsvorrichtungen wie Injektoren oder Düsen. Weiterhin ist die Verringerung des flüssigkeitsseitigen Stofftransportwiderstandes durch Erzeugung von Turbulenzen bekannt, der einer Erhöhung des Energieeintrages entspricht. Insgesamt muss für derartige Verfahren ein hoher technischer und energetischer Aufwand betrieben werden, um einen möglichst hohen Konzentrationsgradienten und eine große Phasengrenzfläche zu erreichen. Dabei wird jedoch ein großer Teil des eingeblasenen Gases zugeführt, ohne dass es bis zu seinem Wiederaustritt in das flüssige Medium eingebracht wurde.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Mittel zur Verfügung zu stellen, das wenigstens einen der vorgenannten Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere bestand die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchem eine Zuführung von Gasen wie Luft zu einem flüssigförmigen Medium in einem Reaktor verbessert wird.
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Der Erfindung lag weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das eine Reduktion der Schaumbildung in Reaktoren und Bioreaktoren ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Reduktion der Schaumbildung in einem mit einem flüssigförmigen Medium beaufschlagten Reaktor, insbesondere einem Bioreaktor, wobei an der Grenzfläche des flüssigförmigen Mediums zu einer gasförmigen Phase wenigstens einer oder eine Mehrzahl von Körpern mit hydrophober Oberfläche angeordnet werden, wobei die Körper einen mittleren Durchmesser von wenigstens 50 µm aufweisen.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Eintrag eines gasförmigen Mediums in einen mit einem flüssigförmigen Medium beaufschlagten Reaktor, wobei das gasförmige Medium über eine hydrophobe Oberfläche geleitet wird.
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Ein weiterer Gegenstand betrifft einen Reaktor, vorzugsweise einen Bioreaktor, für ein flüssigförmiges Medium, wobei an der Oberfläche und/oder unterhalb der Oberfläche des flüssigförmigen Mediums wenigstens einer oder eine Mehrzahl an Körpern, vorzugsweise kugelförmiger Körper, mit hydrophober Oberfläche angeordnet sind.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Unter dem Begriff „Reaktor“ wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung ein Behältnis für ein flüssigförmiges Medium verstanden, in dem eine chemische, physikalische oder biologische Reaktion abläuft. Der Reaktor kann ein Reaktionsgefäß für chemische oder biologische Reaktionen sein oder ein Lagerbehälter, Lagertank oder ähnliches, ein Becken einer Kläranlage, eine Rektifikationsanlage, oder ein Kochtopf. Der Reaktor ist vorzugsweise ein Bio-Reaktor, häufig auch als Fermenter bezeichnet, in dem Mikroorganismen wie Zellen kultiviert werden.
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Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff einer „hydrophoben“ Oberfläche verstanden, dass der Kontaktwinkel der Oberfläche gegenüber Wasser größer als 90° ist. Bei besonders hohem Kontaktwinkel bezeichnet man Oberfläche als superhydrophob. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff einer „super-hydrophoben“ Oberfläche verstanden, dass der Kontaktwinkel der Oberfläche gegenüber Wasser größer als 150° ist.
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Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „amphiphob“ verstanden, dass die bezeichnete Oberfläche sowohl hydrophob wie auch lipophob ist. Der Begriff „lipophob“ bezeichnet im Sinne der vorliegenden Anmeldung Oberflächen, die Öle und Fette abstoßen. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „super-amphiphob“ verstanden, dass die bezeichnete Oberfläche sowohl super-hydrophob wie auch superlipophob ist. Die Oberfläche ist somit sehr flüssigkeitsabweisend und stößt neben wässrigen Flüssigkeiten auch Öle und Fette ab.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Reduktion der Schaumbildung in einem mit einem flüssigförmigen Medium beaufschlagten Reaktor, insbesondere einem Bioreaktor, ist vorgesehen, dass an der Grenzfläche des flüssigförmigen Mediums zu einer gasförmigen Phase wenigstens einer vorzugsweise eine Mehrzahl an Körpern mit hydrophober Oberfläche angeordnet werden, wobei die Körper einen mittleren Durchmesser von wenigstens 50 µm aufweisen.
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Durch die hydrophobe Oberfläche zeigen die Körper den Effekt, dass sich die Oberfläche im Reaktor gebildeter und an die Grenzfläche des flüssigförmigen Mediums aufsteigender Gasblasen an der hydrophoben Oberfläche vor dem Übergang aus der flüssigen in die gasförmige Phase vergrößert. Hierdurch kann die Ausbildung eines stabilen Schaums an der Oberfläche des flüssigförmigen Mediums verhindert werden. Weiter setzen die Körper mit hydrophober Oberfläche die Oberflächenspannung der Schaumblasen eines bereits gebildeten Schaums herab, wodurch diese durch die hervorgerufene Instabilität zerplatzen. Beispielsweise kann das Verfahren die Schaumbildung durch Fermentierungsprozessen in Bioreaktoren verhindern, oder beim Kochen zur Verhinderung des Überkochens dienen.
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Das flüssigförmige Medium ist vorzugsweise Wasser oder eine wässrige Flüssigkeit, beispielsweise eine Wasser enthaltende Reaktionslösung oder eine Fermenterbrühe. Die gasförmigen Phase über der Flüssigkeit ist beispielsweise Luft. Aufsteigende Gasblasen können durch eine Reaktion im Reaktor gebildete Gase sein, oder eingetragene Gase wie Sauerstoff.
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Ein großer Vorteil liegt darin, dass das Verfahren ohne Energieeintrag, insbesondere ohne andauernd zuzuführende elektrische Energie betrieben werden kann. Hierdurch ist das Verfahren wirtschaftlich und nicht mit einer Erhöhung der laufenden Kosten des Betriebs des Reaktors verbunden. Zudem sind die Investitionskosten für die Körper gering. Weiterhin verbrauchen sich die Körper durch ihre Verwendung nicht wie chemische Mittel, sondern können nach Beendigung einer Reaktion im Reaktor leicht und ohne Kontamination des Endproduktes geborgen und nach geeigneter Reinigung erneut, oder sogar in anderen Verfahren, verwendet werden. Ein weiterer bedeutender Vorteil liegt darin, dass bestehende Reaktoren mit wenig Aufwand für das Verfahren zur Reduktion der Schaumbildung umgerüstet und effizient betrieben werden können.
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Vorzugsweise ist der Kontaktwinkel zwischen der Oberfläche der Körper und Wasser größer als 110°, besonders bevorzugt größer als 140°. In bevorzugten Ausführungsformen weisen der oder die Körper eine super-hydrophobe Oberfläche, bevorzugt eine amphiphobe, vorzugsweise super-amphiphobe, Oberfläche auf. Durch eine super-hydrophobe Oberfläche der Körper kann der schaumverhindernde Effekt der Körper verbessert werden. Eine vorteilhafte Erweiterung der Oberflächeneigenschaft der Körper kann durch eine amphiphobe, vorzugsweise super-amphiphobe, Oberfläche zur Verfügung gestellt werden. Hierdurch kann verhindert werden, dass sich lipophile Bestandteile im flüssigförmigen Medium an der Oberfläche der Körper anlagern und deren Wirkung herabsetzen. Dies ist insbesondere bei der Anwendung im Rahmen von Fermentierungsprozessen in Bioreaktoren unter Verwendung von Mikroben aufgrund der Abscheidung fetthaltiger Substanzen von Vorteil.
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In Ausführungsformen wird die hydrophobe, super-hydrophobe, amphiphobe oder super-amphiphobe Oberfläche durch Oberflächenstrukturierung, oder vorzugsweise durch hydrophobe, super-hydrophobe, amphiphobe oder super-amphiphobe Beschichtung hergestellt. Oberflächenstrukturierungen mit hydrophobierender Eigenschaft sind beispielsweise durch eine Mikro- oder Nanostrukturierung der Oberfläche möglich. Entsprechende Strukturierungsverfahren wie das Ätzen oder Laserablation sind bekannt. Mikro- und Nanostrukturierungen können bereits im Formgebungsprozess vorgenommen werden, wodurch eine nachträgliche Maßnahme wie das Aufbringen einer Beschichtung entfallen kann.
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Eine hydrophobe super-hydrophobe, amphiphobe oder super-amphiphobe Beschichtung kann beispielsweise durch Beschichtung mit fluorierten oder hochfluorierten Polymeren, beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Glycidyloxypropyltrimethoxysilan, Polyethylen, Poly(vinylchlorid), Poly(vinylidenfluorid) und/oder chloriertem Polypropylen, hergestellt werden. Insbesondere hochfluorierte Materialien ermöglichen Oberflächen mit amphiphober oder super-amphiphober Eigenschaft, die weder durch Wasser noch durch Öle oder organische Fette benetzbar sind. Derartige Polymere sind durch übliche Verfahren als Beschichtungen oder Dünnfilm applizierbar. Bevorzugte fluorierte Polymere sind die als „Fluoropor“ bezeichneten Polymere. Beschichtungen sind ohne großen Aufwand und daher unter geringen Kosten aufbringbar.
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Die Körper sind an der Grenzfläche des flüssigförmigen Mediums zur gasförmigen Phase angeordnet. Insbesondere können die Körper an, unter oder auf der Medienoberfläche schwimmen. Die Körper können auf der Oberfläche des flüssigen Mediums schwimmen und dabei teilweise untertauchen. Dies kann beispielsweise durch die Dichteeigenschaften der Körper erzielt werden. Die Körper weisen vorzugsweise eine Dichte auf, die kleiner als die Dichte des Mediums ist, wodurch die Körper an der Oberfläche verbleiben. Während kleinere Partikel oder Partikel mit geringerer Dichte keinen ausreichend großen Unterschied zum Medium aufweisen und daher absinken, kann die Dichte der Körper derart eingestellt werden, dass ein Verbleiben an der Oberfläche erreicht wird. Die Dichte ist beispielsweise durch die Porosität der Körper einstellbar.
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Die Körper können beispielsweise als Kugeln, Quader, Würfel, Pyramiden, Ringe, Zylinder, Kegel, Gitter, oder plattenförmig ausgebildet sein. Vorzugsweise sind die Körper Vielecke, mit vielen Ecken und Kanten. In Ausführungsformen können die Körper plattenförmig sein oder als Gitter ausgebildet sein. Derartige gitterförmige oder plattenförmige Körper können Abmessungen von mehreren Zentimetern oder Metern aufweisen. Eine Anwendung als Gitter über/in einem Belebungsbecken kann eine Fläche von mehreren Quadratmetern aufweisen, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 2 m2 bis ≤ 50 m2.
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In bevorzugten Ausführungsformen können die Körper kugelförmig sein und/oder eine poröse Oberfläche aufweisen. Die Körper, insbesondere kugelförmige Körper, können einen mittleren Durchmesser im Bereich von ≥ 50 µm bis ≤ 10 cm, vorzugsweise im Bereich von ≥ 50 µm bis ≤ 100 µm aufweisen. Unter dem Begriff „mittlerer Durchmesser“ wird der Durchschnittswert aller Durchmesser oder arithmetisch gemittelter Durchmesser bezogen auf alle Partikel verstanden. Körper mit einem kleineren Durchmesser können Leitungen, beispielsweise beim Abtrennen, verstopfen. Insbesondere kugelförmige Körper können auf der Oberfläche der flüssigen Phase gut schwimmen und dabei zumindest teilweise untertauchen. Dieser Effekt kann dadurch verstärkt werden, dass die Körper mit einer porösen Oberfläche ausgebildet sind.
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Weiterhin wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit dem die Zuführung von Gasen zu einem flüssigförmigen Medium im Reaktor verbessert wird. Das Verfahren zum Eintrag eines gasförmigen Mediums in einen mit einem flüssigförmigen Medium beaufschlagten Reaktor sieht dabei vor, dass das gasförmige Medium über eine hydrophobe Oberfläche geleitet wird.
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Hierdurch wird die Grenzfläche flüssig/gasförmig bei einer Zweiphasenreaktion erhöht, beispielsweise die gas/flüssig Phasengrenzfläche in biologischen und chemischen Reaktionssystemen. Üblicherweise erfolgt der Eintrag eines gasförmigen Mediums wie Sauerstoff oder Luft über ein Einlassventil. Im flüssigförmigen Medium bilden sich Gasblasen und die aufsteigenden Gasblasen können an der hydrophoben Oberfläche einen Gasfilm ausbilden. Durch die hierdurch erzielte Erhöhung der Phasengrenzfläche pro Volumeneinheit kann ein effizienterer Übergang eines Gases in die flüssige Phase ermöglicht werden. Dies stellt insbesondere den Vorteil zur Verfügung, dass die Versorgung eines Reaktionsmediums mit einem Gas wie Sauerstoff, welches sich relativ schlecht löst, erhöht werden kann. Der Vorteil liegt in einer effizienteren Versorgung des flüssigen Mediums mit dem zugeführten Gas, so dass ein geringeres Gasvolumen für eine gegebene Gasversorgung aufgewendet werden muss. Eine gegebene Konzentration eines Gases kann hierdurch besser genutzt werden, während für eine gegebene Gasversorgung ein geringerer Gaseintrag bei gleichzeitig geringerem Aufwand ermöglicht wird.
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Vorzugsweise erfolgt die Zufuhr des Gases mit einem Minimum an Belüftung, insbesondere mit einer Belüftung, die gerade ausreicht, einen möglichst vollständigen Gasfilm auf der Oberfläche auszubilden. Hierbei ermöglicht eine feste Position des Gasfilms eine gezieltere Vermischung, ermöglicht einen konstanten Konzentrationsgradienten und damit eine Reduktion des Aufwands einer Rühreinrichtung.
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Aufgrund der hydrophoben Oberflächeneigenschaft wird das gasförmige Medium eine verglichen mit einer hydrophilen Oberfläche deutlich größere Fläche bedecken. Es ist bevorzugt, dass das gasförmige Medium möglichst einen Großteil der Oberfläche des Körpers bedeckt.
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In bevorzugten Ausführungsformen ist die hydrophobe Oberfläche super-hydrophob, bevorzugt amphiphob, vorzugsweise super-amphiphob. Durch eine super-hydrophobe Oberfläche kann die Gasversorgung weiter erhöht werden. Durch eine amphiphobe, vorzugsweise super-amphiphobe Oberfläche kann verhindert werden, dass sich lipophile Bestandteile an der Oberfläche anlagern und die Wirkung herabsetzen können. Dies ist beispielsweise bei der Anwendung in Bioreaktoren aufgrund der Abscheidung fetthaltiger Substanzen von Vorteil.
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In Ausführungsformen wird die hydrophobe, super-hydrophobe, amphiphobe oder super-amphiphobe Oberfläche durch Oberflächenstrukturierung, oder vorzugsweise durch hydrophobe, super-hydrophobe, amphiphobe oder super-amphiphobe Beschichtung hergestellt. Oberflächenstrukturierung mit hydrophobierender Eigenschaft sind beispielsweise durch Mikro- oder Nanostrukturierung der Oberfläche möglich. Eine hydrophobe, super-hydrophobe, amphiphobe oder super-amphiphobe Beschichtung kann beispielsweise durch Beschichtung mit fluorierten oder hochfluorierten Polymeren, beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Glycidyloxypropyltrimethoxysilan, Polyethylen, Poly(vinylchlorid), Poly(vinylidenfluorid) und/oder chloriertem Polypropylen, hergestellt werden. Bevorzugte fluorierte Polymere sind die als „Fluoropor“ bezeichneten Polymere.
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Die Oberfläche kann beispielsweise als Kugeln, Quader, Würfel, Pyramiden, Ringe, Zylinder, Kegel, Gitter, oder plattenförmig ausgebildet sein. In Ausführungsformen weist die hydrophobe Oberfläche eine plattenförmige oder vorzugsweise kugelförmige Form auf. Eine plattenförmige Form bietet den Vorteil, dass eine Platte insbesondere in offenen Reaktoren dauerhaft an den Reaktorwänden befestigt werden kann. In Ausführungsformen wird eine plattenförmige Oberfläche in einem Winkel in einem Bereich von ≥ 0° bis ≤ 180°, vorzugsweise in einem Bereich von ≥ 0° bis ≤ 90° in Bezug auf die Oberfläche des flüssigförmigen Mediums angebracht. Dies hat den Vorteil, dass Gasblasen beim Aufsteigen auf die Oberfläche prallen und zur Ausbildung eines Films an der plattenförmige Oberfläche gezwungen werden. Durch die Bildung eines Gasfilms anstatt einer thermodynamisch stabileren Gasblase erhöht sich das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und damit die Stoffaustauschfläche pro Volumeneinheit. Gitterförmige oder plattenförmige Körper können Abmessungen von mehreren Zentimetern oder Metern aufweisen. Eine plattenförmige Oberfläche kann eine Fläche von mehreren Quadratmetern aufweisen, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 2 m2 bis ≤ 50 m2. Plattenförmige Körper sind mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig in der Flüssigkeit eingetaucht bzw. sind mindestens teilweise, vorzugsweise vollständig von dem flüssigförmigen Medium bedeckt.
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In Ausführungsformen, kann die hydrophobe Oberfläche in Form kugelförmiger Körper vorliegen. Diese bieten den Vorteil, dass die Körper an, unter oder auf der Medienoberfläche schwimmen können. Die Körper weisen vorzugsweise eine Dichte auf, die kleiner als die Dichte des Mediums ist, wodurch die Körper an der Oberfläche verbleiben. Derartige Körper können eine poröse Oberfläche aufweisen. Die Körper, insbesondere kugelförmige Körper, können einen mittleren Durchmesser im Bereich von ≥ 50 µm bis ≤ 10 cm, vorzugsweise im Bereich von ≥ 50 µm bis ≤ 100 µm aufweisen.
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Ein weiterer Gegenstand betrifft einen Reaktor, vorzugsweise einen Bioreaktor, für ein flüssigförmiges Medium, wobei an der Oberfläche und/oder unterhalb der Oberfläche des flüssigförmigen Mediums wenigstens einer vorzugsweise eine Mehrzahl an Körpern, vorzugsweise kugelförmiger Körper, mit hydrophober Oberfläche angeordnet sind.
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Der Reaktor ist vorzugsweise ein Bio-Reaktor oder Fermenter, ein Rührreaktor, oder ein Lagerbehälter, Lagertank oder ähnliches, ein Becken einer Kläranlage, eine Rektifikationsanlage, oder ein Kochtopf. Die Körper, insbesondere kugelförmigen Körper, mit hydrophober Oberfläche, die an der Oberfläche und/oder unterhalb der Oberfläche des flüssigförmigen Mediums angeordnet sind, können sowohl den Effekt zeigen, dass eine Schaumbildung an der Oberfläche des flüssigförmigen Mediums verhindert wird, wie auch, dass ein effizienterer Übergang eines Gases in die flüssige Phase ermöglicht wird, wenn das gasförmige Medium über die hydrophobe Oberfläche der Körper geleitet wird.
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Die Körper können beispielsweise als Kugeln, Quader, Würfel, Pyramiden, Ringe, Zylinder, Kegel, Gitter, oder plattenförmig ausgebildet sein. In Ausführungsformen weisen der oder die Körper eine plattenförmige oder kugelförmige Form auf. Ein plattenförmiger Körper kann an den Reaktorwänden befestigt sein. Beispielsweise kann ein oder mehrere plattenförmige Körper in einem Winkel in einem Bereich von ≥ 0° bis ≤ 180°, vorzugsweise in einem Bereich von ≥ 0° bis ≤ 90° in Bezug auf die Oberfläche des flüssigförmigen Mediums im Reaktor angebracht sein. Plattenförmige Körper können Abmessungen von mehreren Zentimetern oder Metern aufweisen, bzw. eine Fläche von mehreren Quadratmetern, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 2 m2 bis ≤ 50 m2. Für die Beschreibung des Reaktors, der Körper sowie der Verfahren wird auf die vorstehende sowie nachstehende Beschreibung Bezug genommen.
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Ein weiterer Gegenstand betrifft Schwimmkörper für einen Reaktor, insbesondere einen Bioreaktor, wobei die Schwimmkörper eine hydrophobe Oberfläche aufweisen.
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Ein Schwimmkörper bezeichnet einen Körper, der schwimmfähig ist. Die Schwimmkörper können an, unter oder auf der Oberfläche einer Flüssigkeit schwimmen. Die Körper können auf der Oberfläche schwimmen und dabei teilweise untertauchen. Durch die hydrophobe Oberfläche können die Schwimmkörper eine Schaumbildung in einem Reaktor verhindern und/oder den Eintrag eines Gases verbessern. Für die Beschreibung dieser Verfahren wird auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen. In vorteilhafter Weise verbrauchen sich die Schwimmkörper nicht wie chemische Mittel, sondern können nach Beendigung einer Reaktion leicht und ohne Kontamination des Endproduktes geborgen werden, und sind nach geeigneter Reinigung erneut, oder sogar in anderen Verfahren, verwendbar. Die Schwimmkörper sind in bestehenden Reaktoren verwendbar oder diese können mit wenig Aufwand für eine Verwendung der Schwimmkörper umgerüstet und effizient betrieben werden.
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Die Schwimmkörper weisen bevorzugt eine super-hydrophobe, amphiphobe oder super-amphiphobe Oberfläche auf. In Ausführungsformen weisen die Schwimmkörper eine hydrophobe, super-hydrophobe, amphiphobe oder super-amphiphobe Beschichtung oder Oberflächenstrukturierung auf. Oberflächenstrukturierungen mit hydrophobierender Eigenschaft sind beispielsweise durch eine Mikro- oder Nanostrukturierung der Oberfläche möglich. Entsprechende Strukturierungsverfahren wie das Ätzen oder Laserablation sind bekannt. Eine hydrophobe, super-hydrophobe, amphiphobe oder super-amphiphobe Beschichtung kann beispielsweise durch Beschichtung mit fluorierten oder hochfluorierten Polymeren, beispielsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Glycidyloxypropyltrimethoxysilan, Polyethylen, Poly(vinylchlorid), Poly(vinylidenfluorid) und/oder chloriertem Polypropylen, hergestellt werden. Bevorzugte fluorierte Polymere sind die als „Fluoropor“ bezeichneten Polymere. Eine Beschichtung kann auch als Dünnfilm ausgebildet sein.
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Das Material der Schwimmkörper ist variabel. Vorzugsweise können Schwimmkörper aus Polymer oder Edelstahl ausgebildet sein. Bei Verwendung eines von sich aus nicht schwimmfähigen Materials wie Edelstahl kann der Schwimmkörper als Hohlkörper ausgebildet sein. Bevorzugt sind Schwimmkörper in Form von Edelstahlkugeln mit einer strukturierten Oberfläche ausgebildet.
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Die Schwimmkörper können beispielsweise als Kugeln, Quader, Würfel, Pyramiden, Ringe, Zylinder, Kegel, Gitter, oder plattenförmig ausgebildet sein. Die Schwimmkörper können Vielecke sein, mit vielen Ecken und Kanten. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Schwimmkörper kugelförmig oder als Gitter ausgebildet. Gitterförmige Schwimmkörper können Abmessungen von mehreren Zentimetern oder Metern aufweisen, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 2 m2 bis ≤ 50 m2.
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In bevorzugten Ausführungsformen sind die Schwimmkörper kugelförmig. Insbesondere kugelförmige Körper können auf der Oberfläche eines flüssigen Mediums gut schwimmen und dabei zumindest teilweise untertauchen. Vorzugsweise weisen die Schwimmkörper einen mittleren Durchmesser von wenigstens 50 µm auf. Die Schwimmkörper, insbesondere kugelförmige Schwimmkörper, können einen mittleren Durchmesser im Bereich von ≥ 50 µm bis ≤ 10 cm aufweisen. Die Schwimmkörper können einen mittleren Durchmesser im Bereich von ≥ 1 mm bis ≤ 10 mm, oder im Bereich von ≥ 50 µm bis ≤ 100 µm, aufweisen. Diese sind insbesondere für eine Verwendung in kleinen Reaktoren geeignet. Die Schwimmkörper können in weiteren Ausführungsformen einen mittleren Durchmesser im Bereich von ≥ 1 mm bis ≤ 2 cm, vorzugsweise im Bereich von ≥ 0,5 cm bis ≤ 1 cm, aufweisen. Diese sind insbesondere für eine Verwendung in größeren Reaktoren geeignet.
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Vorzugsweise ist der Schwimmkörper etwa zur Hälfte eingetaucht. Die Schwimmfähigkeit kann beispielsweise durch die Dichteeigenschaften der Körper eingestellt werden. Die Schwimmkörper weisen vorzugsweise eine Dichte auf, die kleiner als die Dichte des Mediums ist, wodurch die Schwimmkörper an der Oberfläche schwimmen. Die Dichte ist beispielsweise mittels Porosität oder der Ausbildung eines Hohlraums im Schwimmkörper einstellbar. Die Schwimmkörper können eine poröse Oberfläche aufweisen. Weiterhin kann ein Schwimmkörper, vorzugsweise in Form einer Kugel, mit einer Öffnung oder mehreren Öffnung ausgebildet sein, wobei die Öffnung offen sein kann, oder verschlossen werden kann, insbesondere mit einem Medium, beispielsweise einer Flüssigkeit, befüllt werden kann, oder sich selber füllt.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert:
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Das in der 1 gezeigte Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren zur Reduktion der Schaumbildung in einem mit einem flüssigförmigen Medium beaufschlagten Reaktor. In einen Reaktor 2, der mit einem flüssigförmigen Medium 4 beaufschlagt ist, wird über ein Einlaßventil 12 ein gasförmige Medium 8 eingetragen. An der Grenzfläche des flüssigförmigen Mediums 4 zu einer darüberliegenden gasförmigen Phase ist ein kugelförmiger Körper 6 mit hydrophober Oberfläche angeordnet. Der Körper 6 weist einen mittleren Durchmesser von wenigstens 50 µm auf. Durch die hydrophobe Oberfläche kann die Ausbildung eines stabilen Schaums an der Oberfläche des flüssigförmigen Mediums verhindert werden.
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Das in der 2 gezeigte Ausführungsbeispiel betrifft einen geeigneten Reaktoraufbau für ein Verfahren zum Eintrag eines gasförmigen Mediums in einen mit einem flüssigförmigen Medium beaufschlagten Reaktor. In einen Reaktor 2, der mit einem flüssigförmigen Medium 4 beaufschlagt ist, wird über ein Einlaßventil 12 ein gasförmige Medium 8 eingetragen. Dieses wird beim Eintrag über eine hydrophobe Oberfläche 10 geleitet, wobei die aufsteigenden Gasblasen 8 an der hydrophoben Oberfläche 10 einen Gasfilm ausbilden. Hierdurch wird die Grenzfläche flüssig/gasförmig bei einer Zweiphasenreaktion erhöht, und es kann ein effizienterer Übergang des Gases 8 in die flüssige Phase 4 ermöglicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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