DE102022000244A1 - Biogasfermenter mit wabenförmigem Festbett - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Biogasfermenter mit wabenförmigem Festbett (1). Die hexagonale Struktur des Festbettes ermöglicht die höchste Oberflächen-/ Raumausnutzung, wobei eine allseitige Umströmung mit dem Fluid gegeben ist. Zum Transport des Fluids wird zusätzlich eine Pumpe (2), ein Fluidverteilereinströmer (4) oberhalb des Behälterbodens (5) und ein pipettenähnlicher Flüssigkeitssammlerabzug (8) installiert. Das Biogas wird am höchsten Punkt des Behälterdeckels (7) abgeführt. Zur Erhöhung der organischen Trockenmasse in der Suspension und zur Erzielung einer hohen Reinheit des Prozessabwassers können zusätzlich über die Dreiwegeventile (3) ein oder mehrere Kerzenfilter (10) zugeschaltet werden, wobei der Permeatvolumenstrom V̇Pals einleitfähiges Restwasser abgeführt bzw. als Brauchwasser genutzt werden kann.
Description
- Die Erfindung betrifft einen axial durchströmten Biogasfermenter, der zur Fixierung heterogener Katalysatoren, von Enzymen oder Mikroorganismen und zur Oberflächenvergrößerung ein auf den Behälterquerschnitt zugeschnittenes und am Innenbehältermantel fixiertes wabenförmiges Festbettverbundrohrsystem besitzt.
- In den Festbettfermentern sind nach dem Stand der Technik Festbetten aus Füllkörpern, Wickelelementen und Festbettschüttungen in unterschiedlicher Form und Größe bekannt. Auf den Oberflächen, des mit einem Gas oder einer Flüssigkeit (im Folgenden allgemein als Fluid bezeichnet) durchströmten Festbettes, werden immobilisierte partikuläre Trägermaterialien gebunden.
- Aus
DE 10 2015 005 943 A1 ist ein Festbettreaktor bekannt, wobei das Festbett aus einem partikelförmigen Träger besteht der mit einem reaktiven Stoff, z.B. durch ein Silikagel mit einer Partikelgrößenverteilung von wenigstens 0,1 mm bis höchstens 1,5 mm beschichtet ist. - In
EP 0434510B1 werden rippenförmige parallel nebeneinanderliegenden Profilelemente als fest eingebaute Füllkörper für den Wärme- und Stofftransport beschrieben. - In
DE 20 2013 009 576 U1 undDE 10 2013 018 190 B4 werden streifenförmige Füllkörper vorgestellt, die mindestens einen halbwellen- und/oder wellenförmigen Streifen enthalten. Diese Füllkörper führen zu einer erhöhten Gasdurchlässigkeit und somit zu einem verringerten Strömungswiderstand derselben. Außerdem bewirkt die Torsion der Streifen eine erhöhte Stabilität und somit eine vergrößerte Verwindungssteifigkeit. - Das
EP0303149A2 beschreibt einen Festbettumlaufreaktor für Aufstrombetrieb, wobei der Behälter mit einem porösen Festbett, bestehend aus einer Trägermaterialschüttung und einer an diesem Trägermaterial adaptierten Biomasse, ausgefüllt ist. - Während bei einer mit Gas durchströmten Trägermaterialschüttung die Strömungsrichtung nur einen unwesentlichen Einfluss auf die Festbettschüttung hat, wirkt bei einer mit Flüssigkeit von unten durchströmten Festbettschüttung nach
EP0303149A2 die Schwerkraft. Das Problem ist, dass bei Festbettschüttungen mit steigender Strömungsgeschwindigkeit der Auftriebsdruck größer als das auf die Flächeneinheit bezogene Schüttgewicht wird und sich die Festbettschüttung in eine Fließ- und Wirbelschicht wandelt, wobei die Bindung der partikulären Trägermaterialien zumindest teilweise aufgehoben werden kann. - Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch ein auf den Behälterquerschnitt zugeschnittenes und am Innenbehältermantel fixiertes wabenförmiges Festbettverbundrohrsystem gelöst. Durch den in
2 dargestellten Festbetteinbau entfällt bei gro-ßen Strömungsgeschwindigkeiten das Einbringen eines Rückhaltesystems, z.B. eines Siebes, welches das Festbett in der Strömung fixiert und einen zusätzlichen Strömungswiderstand erzeugt. - Die Hauptnachteile der bekannten Festbettkonstruktionen sind teils inhomogene Durchströmung des Reaktors unter Kanalbildung und Verschließen der Hohlräume durch Schwebstoffe bzw. nachwachsende Biomasse.
- Dieser Nachteil wird aufgrund gleichgroßer hexagonaler Strömungsquerschnitte und der in Strömungsrichtung wellenförmigen Kanäle, wie sie in
2 dargestellt sind, eliminiert. - Ein weiterer Vorteil ist, dass der Druckverlust über die Festbetteinbauten konstant niedrig bleibt, was bei einer losen Festbettschüttung nach dem Stand der Technik nicht gegeben ist.
- Bestimmend für die im Arbeitspunkt notwendige Bindung der heterogenen Katalysatoren, der Enzyme oder der Mikroorganismen an die Oberfläche der Festbetteinbauten ist die Zähflüssigkeit und die Strömungsgeschwindigkeit. Zur Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit am Eintritt in den Behälter und zur gleichmäßigen Verteilung des Volumenstroms des Fluids V̇F über den Behälterquerschnitt werden vorzugsweise ringförmige Rohre mit diffusorförmigen Einströmquerschnitten (4) verwendet.
- Durch die wabenförmigen und allseitig mit dem Fluid umströmten Struktureinbauten (1) gibt es eine hohe Oberflächen-/ Raumausnutzung und ideale Bedingungen beispielsweise für die methanproduzierende Mikrobiologie, welche sich an der Oberfläche kurzzeitig ansiedelt und vollständig enzymatisch abgebaut wird. Zum Transport des Fluids wird zusätzlich eine Pumpe (2), ein Fluidverteilereinströmer (4) oberhalb des Behälterbodens (5) und ein pipettenähnlicher Flüssigkeitssammlerabzug (8) oberhalb der Festbettpackung aus wabenförmigen Struktureinbauten (1) an der Behälterwand (6) installiert. Der Fluidverteiler in Form eines diffusorförmigen Einspeisers (4) muss sicherstellen, dass das Fluid homogen über die gesamte Querschnittsfläche des zylindrischen Behälters verteilt wird, um radiale Inhomogenitäten zu vermeiden. Trotz homogener Fluidverteilung bilden sich axiale Gradienten der an den Trägermaterialien immobilisierten Mikroorganismen und gegebenenfalls des pH-Wertes aus. Die axiale Gradientenbildung kann für die Reaktion unvorteilhaft sein. Eine Möglichkeit besteht darin, dass durch die Pumpe (2) ein größerer Volumenstrom V̇F induziert wird und die gesamte im Behälter befindliche Suspension vier- bis sechsmal pro Stunde umgewälzt wird.
- Bei geringer und gleichmäßig über den Behälter-/Festtbettquerschnitt verteilter Strömungsgeschwindigkeit findet auf der Festtbettoberfläche in kurzer Zeit der Abbau der organischen Substanz und die Bildung von Biogas statt. Am Austritt der wabenförmigen Struktureinbauten (1) expandiert der Fluidstrom und es sinkt die Strömungsgeschwindigkeit. Aufgrund dieser Strömungsberuhigung wird das Mitreißen von Gaspartikeln durch die Absaugung des flüssigen Fluids vermieden.
- Aufgrund der Blasengröße des Biogases bildet sich über den Behälterquerschnitt eine gleichmäßige Blasenverteilung. Um diese Blasen nicht in die Zirkulationsleitung (9) anzusaugen, wird mittels pipettenähnlichem Flüssigkeitssammlerabzug (8) die Flüssigkeit von den nach oben steigenden Gasblasen getrennt. Der Volumenstrom des Biogases V̇G wird am höchsten Punkt des kalottenförmigen Behälterdeckels (7) abgeführt.
- Zur Erhöhung der organischen Trockenmasse in der Suspension und zur Erzielung einer hohen Reinheit des Prozessabwassers können zusätzlich über die Dreiwegeventile (3) ein oder mehrere Kerzenfilter (10) zugeschaltet werden, wobei der Permeatvolumenstrom V̇P als einleitfähiges Restwasser abgeführt bzw. als Brauchwasser genutzt werden kann.
- Darüber hinaus ist der Zustand technisch von Interesse, der eintritt, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des fluiden Mediums die für die Absetzung der Mikroorganismen an den Kanalwänden des Festbettes charakterisierende maximale Strömungsgeschwindigkeit überschritten wird. Bei einer geringen Überschreitung dieser Absetzgeschwindigkeit kann die Gradientenbildung durch eine bessere Durchmischung und einen Ausgleich des pH-Wertes beseitigt werden. Bei einer weiteren Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit in Betriebsrichtung kann eine Reinigung der Festbettoberfläche durch das strömende Fluid initiiert werden.
- Die im Ausführungsbeispiel in
1 gewählte zylindrische Form des dargestellten Festbettflüssigfermenters ist nicht zwingend. Durch einen konischen sich nach oben erweiterndem Querschnitt ist eine zusätzliche Strömungsberuhigung oberhalb des Festbettes möglich. - Die Stoff- und Wärmebewegung innerhalb des Festbettfermenters ist auch verfahrenstechnisch auf unterschiedliche Anwendungen übertragbar, z. B. für katalytische Prozesse, Gas- oder Flüssigkeitsreinigungsverfahren und Trocknungsvorgänge.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Festbett aus wabenförmigen Struktureinbauten
- 2
- Pumpe
- 3
- Dreiwegeventil
- 4
- Fluidverteilereinströmer
- 5
- Behälterboden
- 6
- Behälterwand
- 7
- Behälterdeckel
- 8
- pipettenähnlicher Flüssigkeitssammlerabzug
- 9
- Zirkulationsleitung
- 10
- Kerzenfilter
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102015005943 A1 [0003]
- EP 0434510 B1 [0004]
- DE 202013009576 U1 [0005]
- DE 102013018190 B4 [0005]
- EP 0303149 A2 [0006, 0007]
Claims (7)
- Festbettfermenter dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle des Festbettes (1) einen sechseckigen Querschnitt aufweisen und die innenliegenden Strömungskanäle an jeder Seitenwand einen benachbarten Strömungskanal aufweisen.
- Festbettfermenter nach dem
Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanalwände des Festbettes (1) in Strömungsrichtung eine wellige Struktur aufweisen. - Festbettfermenter nach den
Ansprüchen 1 und2 dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalwände des Festbettes (1) einen zick-zack-förmigen Verlauf zur Behälterachse aufweisen - Festbettfermenter nach dem
Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass am Eingang des Festbettes eine diffusorförmige Einspeisung (4) der Flüssigkeit erfolgt. - Festbettfermenter nach dem
Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang des Festbettes eine pipettenförmige Absaugung (8) der Flüssigkeit erfolgt. - Festbettfermenter nach den
Ansprüchen 1 bis5 dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte im Behälter befindliche Suspension vier- bis sechsmal pro Stunde durch eine außerhalb des Fermenters installierte Zirkulationspumpe (2) umgewälzt wird. - Festbettfermenter nach den
Ansprüchen 1 bis6 dadurch gekennzeichnet, dass über Dreiwegeventile (3) ein oder mehrere Kerzenfilter (10) in die Zirkulation eingebunden werden können.
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|---|---|
| DE102022000244A1 true DE102022000244A1 (de) | 2023-07-27 |
Family
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| DE102022000244.2A Pending DE102022000244A1 (de) | 2022-01-24 | 2022-01-24 | Biogasfermenter mit wabenförmigem Festbett |
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|---|---|
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| EP0303149A2 (de) | 1987-08-14 | 1989-02-15 | Siemens Aktiengesellschaft | Festbett-Umlaufreaktor für Aufstrom-Betrieb |
| EP0434510B1 (de) | 1989-12-14 | 1995-04-05 | L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude | Anordnung zur Stoffverteilung sowie zum Wärme- und Stoffaustausch für eine Kolonne, insbesondere mit Füllkörper und Kolonne mit einer solchen Anordnung |
| DE202013009576U1 (de) | 2013-10-30 | 2015-02-26 | Raschig Gmbh | Füllkörper, insbesondere für Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonnen oder -türme |
| DE102015005943A1 (de) | 2015-05-12 | 2016-11-17 | Dräger Safety AG & Co. KGaA | Festbettreaktor, Verfahren zur Herstellung eines Festbettreaktors und Verwendung eines Festbettreaktors |
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-
2022
- 2022-01-24 DE DE102022000244.2A patent/DE102022000244A1/de active Pending
Patent Citations (5)
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| DE102013018190B4 (de) | 2013-10-30 | 2018-03-01 | Raschig Gmbh | Füllkörper, insbesondere für Stoff- und/oder Wärmeaustauschkolonnen oder -türme |
| DE102015005943A1 (de) | 2015-05-12 | 2016-11-17 | Dräger Safety AG & Co. KGaA | Festbettreaktor, Verfahren zur Herstellung eines Festbettreaktors und Verwendung eines Festbettreaktors |
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