DE1557185C - Vorrichtung zum innigen Inberührungbringen von gasförmigen und flüssigen Reaktionskomponenten für mikrobiologische Umsetzungen in einem Gärbehälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum innigen Inberührungbringen von gasförmigen und flüssigen Reaktionskomponenten für mikrobiologische Umsetzungen in einem Gärbehälter mit einem aus mehreren übereinander angeordneten Mischorganen bestehenden Umwälzwerkzeug, das von einem Leitrohr koaxial umfaßt wird. Solche Vorrichtungen sind als sogenannte Fermenter zum Belüften von Gärflüssigkeiten bekannt. Bei den Fermentern gemäß der deutschen Patentschrift 743 984 und der schweizerisehen Patentschrift 358 195 wird die mit Nährsubstanzen und Mikroorganismen versehene Flüssigkeit zusammen mit der.durch gelochte — meist ringförmige — Leitungen eingeführten Luft durch turbinenartige Umwälzorgane innerhalb des Leitrohres nach unten gedrückt und dann zwischen Leitrohr und Behälterwand nach oben getrieben, wo das Flüssigkeits-Gas-Gemisch bei Erreichen des oberen Leitrohrrandes . wiederum in dieses eingezogen und erneut nach unten befördert wird, so daß eine, dauernde Umwälzung des Behälterinhalts bewirkt wird. Für eine rasche und nach Möglichkeit sogar kontinuierlich zu führende Umsetzung genügt jedoch der erzielbare Mischungsgrad nicht. Insbesondere für die in neuerer Zeit sehr wichtig gewordene Erzeugung komplizierter organischer Verbindungen auf mikrobiologischem Wege und die Gewinnung von Nährhefen aus Kohlenwasserstoffen als Kohlenstoffquelle ist es erforderlich, eine Feinstdurchmischung der gasförmigen und flüssigen Reaktionskomponenten herzustellen und so lange aufrechtzuerhalten, bis die angestrebte Umsetzung möglichst weitgehend erfolgt ist. Eine derartige Feinstdurchmischung kommt einer Emulgierung nahe oder gleich, in welcher als flüssige Phase die — bei Verwendung von Kohlenwasserstoffen als Kohlenstoffquelle — manchmal wieder aus ineinander unlöslichen Anteilen bestehende Nährlösung, als gasförmige Phase Luft oder Sauerstoff, bei Verwendung gasförmiger Kohlenwasserstoffe (Erdgas u. a.) als Kohlenstoff quelle auch Gasgemische, und als feste Phase die Mikroorganismen aufzufassen sind. Das Problem besteht darin, die Mischung der gasförmigen und flüssigen Reaktionskomponenten möglichst lange und möglichst so innig aufrechtzuerhalten, daß jede Organismenzelle ihre Nährstoffe, den Sauerstoff und etwa sonst für die speziellen Umsetzungen erforderlichen Zusätze in der Nähe ihrer Zellmembran findet und daß weiterhin die gasförmigen und flüssigen Produkte der Reaktion möglichst rasch abgeführt und verdünnt werden, da sie in manchen Fällen eine schädliche Wirkung auf die Entwicklung der Organismen ausüben.

Zur Feinstdurchmischung von Flüssigkeiten untereinander, auch solchen, die ineinander nicht löslich sind, und von Flüssigkeiten mit Feststoffen, dienen Dispergiereinrichtungen, Homogenisierapparate, Kolloidmühlen, Mischdüsen verschiedenster Konstruktion. Bekannt sind auch Vorrichtungen, die aus einem rotierenden, mit Flügeln oder anderen Mitnehmern versehenen Kreisel bestehen, der in einem mit Schiitzen Oder Löchern versehenen Hohlkörper, Rohr u. a. in geringem Abstand rotiert, so daß die von dem Kreisel nach außen geworfenen Stoffe auf die Schlitze und Löcher prallen, wo sie fein zerkleinert und verteilt werden, so z. B. deutsche Patentschrift 870 088. Es sind auch schon Anordnungen vorgeschlagen worden, in denen auf einer Welle mehrere derartige VTrfkol übereinander angeordnet sind und die zu mischenden Stoffe nacheinander durch die verschiedenen Zerteileinrichtungen'geleitet, also in mehreren aufeinanderfolgenden Stufen zerteilt werden.

Die bekannten Dispergier- und Homogenisiervorrichtungen · arbeiten im Durchlauf, einige einfachere auch für chargenweisen Betrieb. Sie sind wegen der kurzen Verweilzeiten nicht ohne weiteres für den Einsätz in den genannten Verfahren geeignet, weil eine mikrobiologische Umsetzung einige Zeit dauert — von einer bis zu etwa hundert Stunden, je nach Art der Organismen und der zu erzielenden Umsetzung — während welcher die Feinstdurchmischung, oft bei ständiger Durchströmung -der Flüssigkeit mit Gas zur laufenden Sauerstoff- und Nährstoffzufuhr sowie Abfuhr der verbrauchten Gase, aufrechterhalten werden muß. Außerdem sind mehrstufige Vorrichtungen der bekannten Ausführungen schon deshalb für mikrobiologische Umsetzungen ungeeignet, weil sie durch komplizierte Einbauten, schwer zugängliche Einsätze usw. umständlich zu reinigen und kaum zu sterilisieren sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der ein besseres inniges Inberührungbringen der gasförmigen und flüssigen Reaktionskomponenten bei mikrobiologischen Umsetzungen in einem Gärbehälter möglich ist und der Mischungszustand beliebig lange aufrechterhalten werden kann, wobei der Gärbehälter möglichst wenige, leicht zu sterilisierende Einbauten aufweisen soll und ein rascher Durchsatz von Gasen durch die Flüssigkeit möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einer solchen Vorrichtung mit einem aus mehreren übereinander angeordneten Mischorganen bestehenden Umwälzwerkzeug, das von einem Leitrohr koaxial umfaßt wird, vor, daß das Leitrohr zwischen den Ebenen der einzelnen Mischorgane größere Öffnungen aufweist und in der Höhe der Mischorgane siebartig mit Löchern durchbrochen ist. Es hat sich nämlich als wirkungsvoll erwiesen, außerhalb dieses Leitrohrs, zwischen Leitorhr und der Wand, den aus Flüssigkeit und Gasblasen bestehenden Behälterinhalt in vertikaler Richtung dem Leitrohr entlangzuführen, so daß die durch die feinen Öffnungen geworfene feinverteilte Mischung diesem Strom zugemischt wird.

Der durch solche Feinstverteilung als feinblasiaer Schaum vorliegende Behälterinhalt wird zweckmäßig so lange im Behälter umgewälzt, bis die zu erzielende Umsetzung in der notwendigen Ausbeute erreicht ist. Gemäß einer Fortbildung der Vorrichtung nach der Erfindung ist hierzu vorgesehen, daß an der die Mischorgane tragenden Welle unterhalb des Leitrohrs ein Schleuderpumpen-Laufrad angeordnet ist.

Ferner hat es sich zur weiteren Intensivierung des Mischprozesses als zweckmäßig erwiesen, wenn koaxial um das Leitrohr ein weiteres Leitrohr angeordnet ist.

Die Erfindung ist an Hand von Längsschnittzeichnungen von zwei Ausführungsbeispielen einer Vorrichtung nach der Erfindung näher erläutert.

Der Gärbehälter 1 ist mit einem Deckel 2 verschlossen und trägt am Boden eine Antriebsvorrichtung 3 für eine Welle 4, an der als Schleuderpumpen-Laufräder (Schleuderräder) ausgebildete Mischorgane 6 übereinander angeordnet sind. Die Welle 4 ist im Deckel 2 in einer Führungsbüchse zentriert und trägt über den Mischorganen 6, in der Ebene des

Flüssigkeitsspiegels, einen rotierenden Schaumzerstörer 12. Die Welle 4 mit den Mischorganen 6 ist von einem Leitrohr 7 umgeben, das zwischen den Ebenen der einzelnen Mischorgane 6 größere Öffnungen 9 aufweist und in der Höhe der Mischorgane siebartig mit Löchern 8 durchbrochen ist. Durch die größeren Öffnungen kann Behälterflüssigkeit einströmen. Unterhalb des Leitrohrs ist auf der Welle 4 ein weiteres Schleuderpumpen-Laufrad 13 angeordnet, welches die Flüssigkeit axial aus dem Leitrohr 7 ansaugt und radial auswirft, worauf durch die Rundung des Bodens die Bewegung vertikal nach oben gerichtet wird. Die zur Fermentierwirkung erforderlichen Gase (Luft oder Sauerstoff, auch als Nahrung der Organismen dienende Gase, z. B. Kohlenwasserstoffe) werden hier durch ein Rohr 10 in an sich bekannter Weise eingeführt. Die Ableitung der unverbrauchten Gase und der gasförmigen Reaktionsprodukte geschieht durch ein im Deckel 2 eingesetztes Rohr 11. Der Gärbehälter 1 ist mit einem Doppelmantelraum 14 umgeben, in welchem durch Stutzen 15 und 16 ein Kühlmittel oder bei Bedarf auch ein Heizmittel ein- bzw. ausgeleitet werden kann. Im Gärbehälter können weitere Wärmetauschelemente vorgesehen sein.

Der Betrieb der Vorrichtung ist in dieser Ausführung chargenweise gedacht, doch ist ohne weiteres auch eine kontinuierliche Arbeitsweise möglich, wenn eine Zu- und Ableitung für die Flüssigkeit eingebaut wird. Im Betrieb saugen die Mischorgane 6 durch die Öffnungen 9 und die obere und untere Endöffnung des Leitrohrs 7 Flüssigkeit an und schleudern sie radial durch die siebartigen Löcher 8 in Richtung auf die Zylinderwand des Gärbehälters 1. Das Schleuderpumpen-Laufrad 13 unterhalb des Leitrohrs 7 saugt ebenfalls die Flüssigkeit axial an und schleudert sie nach außen. Durch die Bodenform wird sie in Richtung der Behälterwand nach oben umgeleitet und strömt nun in eine zur Wurfrichtung der Mischorgane 6 senkrechten Richtung, um dann am oberen Ende des Leitrohrs 7 sich umzuwenden und axial von oben in das Leitrohr 7 einzutreten. Der Schaumzerstörer 12 verhindert ein Überschäumen der Flüssigkeit und damit Übertritt in die Abluftleitung.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, bei welcher ebenfalls das Schleuderpumpen-Laufrad 13 unterhalb des Leitrohrs 7 vorgesehen, jedoch noch koaxial um das Leitrohr 7 ein weiteres Leitrohr 17 angeordnet ist, das am unteren Ende nach innen und oben verformt ist, so daß hier ein Leitring 20 gebildet ist, durch welchen die zwischen äußerem Leitrohr 17 und Behälterwand befindliche Flüssigkeit axial von unten dem Umwälzorgan 13 zugeführt wird. Das als Umwälzorgan dienende Schleuderpumpen-Laufrad 13 fördert die Flüssigkeit in den Raum zwischen innerem und äußerem Leitrohr nach oben, also wieder in einer zur Wirkung der Mischorgane 6 senkrechten Richtung, wo sie am oberen Ende des äußeren Leitrohrs 17 umgewendet und zwischen äußerem Leitrohr und Behälterwand nach unten strömt. Die Gaszufuhr erfolgt durch ein Ringrohr 21, das konzentrisch um das Schleuderpumpen-Laufrad 13 angeordnet und in bekannter Weise mit Löchern versehen ist. Die Abfuhr der Gase geschieht durch die am oberen Ende hohl ausgebildete Welle 4 und den hier als aus drei übereinanderliegenden Konusflächen gebildeten Schaumabscheider mittels darin angeordneter Entlüftungslöcher 22.

Die Vorrichtung nach der Erfindung eignet sich besonders für die Durchführung von Fermentationsverfahren, bei denen größere Mengen Gase dauernd mit der Flüssigkeit in innigstem Kontakt, also großer Grenzflächenausdehnung reagieren müssen, wie z. B. auch bei der Verarbeitung von gasförmigen Nährstoffen (Protein aus Erdgas u. a.). Die Vorrichtung

ίο ist wegen ihrer guten Emulgierwirkung vom Rahmen anderer Verfahren, z. B. bei katalytischen Prozessen, anwendbar.

Die Mischung der umgewälzten Flüssigkeit und besonders auch die Einmischung von gleichzeitig zugeführten Gasen in die Flüssigkeit ist äußerst intensiv, da die Flüssigkeitsmenge durch die Sieblochungen gegen die Behälterwand geschleudert und mit den Gasblasen fein zerschlagen wird, so daß eine milchige Emulsion entsteht, die dem Gasgehalt entsprechend

so ein größeres Volumen als die Flüssigkeit einnimmt. Das Gas muß nicht immer unter Druck zugeführt werden, da an verschiedenen Stellen des Mischsystems Unterdruck herrscht, an denen drucklos zugeführtes Gas — bei Fermentiereinrichtungen meist sterile Luft oder auch den Organismen als Nahrung dienende Gase, wie Kohlenwasserstoffe — angesaugt wird. Auch kann das Gas aus dem über dem Flüssigkeitsspiegel stehenden Raum durch das oberste Mischorgan angesaugt und der Flüssigkeit beigemischt werden. Es hat sich bei Versuchen gezeigt, daß das Luft-Flüssigkeits-Gemisch jeweils dem nächstliegenden oberen oder unteren Mischorgan weitergegeben wird, so daß in kurzer Zeit die Luft weitgehend gleichmäßig verteilt wird, oft erheblich schneller als die an einer Stelle zugemischten Flüssigkeiten. Um eine schnelle gleichmäßige Verteilung aller zugegebenen Flüssigkeiten und Gase zu sichern, kann eine zusätzliche Umlaufleitung vorgesehen werden, welche den Behälterinhalt mittels des untersten Schleuderpumpen-Laufrads 13 außerhalb und innerhalb des Behälters dauernd umwälzt.

Der Überschuß der zugeführten Gase muß zusammen mit den gasförmigen Gärungsprodukten laufend aus der Flüssigkeit abgeführt werden. Die gute Mischwirkung der Vorrichtung kann hierbei insofern Schwierigkeiten bereiten, als das abzuleitende Gas Schaum, der praktisch den ganzen Behälter füllen kann, mitreißt. Deshalb ist die Anordnung eines wirkungsvollen Schaumzerstörers vor der Gas-Ausgangsöffnung notwendig.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum innigen Inberührungbringen von gasförmigen und flüssigen Reaktionskomponenten für mikrobiologische Umsetzungen in einem Gärbehälter mit einem aus mehreren übereinander angeordneten Mischorganen bestehenden Umwälzwerkzeug, das von einem Leitrohr koaxial umfaßt wird, dadurchgekennzeichnet, daß das Leitrohr (7) zwischen den Ebenen der einzelnen Mischorgane (6) größere Öffnungen (9) aufweist und in der Höhe der Mischorgane siebartig mit Löchern (8) durchbrochen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der die Mischorgane (6)

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tragenden Welle (4) unterhalb des Leitrohrs (7) ein Schleuderpumpen-Laufrad (13) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial um das Leitrohr (7) ein weiteres Leitrohr (17) angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen