DE19505257A1 - Einstellbare Gaszuführung für einen Fermentationsreaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gaszuführung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bisher erfolgte die Gaszuführung über am Boden sol­ cher Reaktoren angeordnete Düsenköpfe, wobei das Gas über mehrere Gaskanäle in das Reaktorinnere geführt wurde. Das Gas dient zur Gasdispersion und zur Ver­ tikalbewegung der Fermentationsmischung. In die schräg nach oben geneigten Gaskanäle mit kleinen Durchmessern dringen immer wieder Partikel, die ent­ weder im Gas mitgeführt werden oder aus der Fermenta­ tionsmischung stammen, ein und führen zur Ver­ stopfung, auch dadurch, daß sich Partikel in den Gas­ kanälen verkeilen. Die Partikel aus der Fermenta­ tionsmischung treten bevorzugt bei abgeschalteter Gaszuführung durch den hydrostatischen Druck in die Gaskanäle ein.

Verstopfte Gaskanäle führen zur Verringerung der zu­ führbaren Gasmenge und müssen entweder aufwendig ge­ reinigt oder gar ausgetauscht werden. In diesem Fall muß die Fermentation unterbrochen und der Reaktor entleert werden. Bei der Fermentation von aus konta­ minierten Industrieböden stammenden Feinkornanteil ist eine solche Fermentationsunterbrechung aus ge­ sundheitlichen Gründen möglichst zu vermeiden.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß kein bzw. nur ein geringfügiger Einfluß auf die Menge des zu veratmendenden Sauerstoffs, des mikrobiell gebildeten Kohlendioxids und auf die auftretende Schaumbildung im Reaktor ausgeübt werden konnte.

Ausgehend von diesem bekannten Lösungsweg, ist es Aufgabe der Erfindung, die Gaszuführung in einen Air­ lift-Schlaufenreaktor so zu verbessern, daß keine Störungen im Verfahrensablauf durch verminderte Gas­ zuführung auftreten und der Gaszufluß und -dispersion einstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiter­ bildungen der Erfindung ergeben sich bei Anwendung der in den untergeordneten Ansprüchen enthaltenen Merkmale.

Mit der am Boden eines Airlift-Schlaufenreaktors an­ geordneten, erfindungsgemäß ausgebildeten Gaszufüh­ rung ist es möglich, Verstopfungen weitestgehend zu vermeiden und den Volumenstrom und die Dispersion des zugeführten Gases zu beeinflussen.

Dabei wird das Gas über eine zentrale Zuführleitung in eine Gaskammer gefördert und von dieser durch Boh­ rungen in das Reaktorinnere geführt. In den Bohrungen sind Schäfte mit geeigneten Mitteln vorgespannt ge­ halten. An der Seite der Schäfte, die in das Innere des Reaktors ragen, sind Dichtelemente vorhanden, die in einer Schließstellung den gesamten freien Quer­ schnitt der Bohrungen abdichten und den Austritt von Gas und das Eindringen des Reaktorinhalts verhindern. Die Dichtflächen sind vorteilhaft so ausgeführt, daß sie gegenüber der Fermentationsmischung chemisch inert und auch elastisch verformbar sind, so daß sie über gute Dichteigenschaften verfügen. Sie können beispielsweise mit einer PTFE-Schicht versehen sein.

Der Teil der Bohrungen, der in das Innere des Reak­ tors weist, ist aufgeweitet und bildet den eigentli­ chen Gasauslaßspalt. Dabei sind Dichtelement und Gas­ auslaßspalt so ausgebildet, daß das Dichtelement im Gasauslaßspalt zentriert wird und so eine sichere Ab­ dichtung erreicht werden kann. Mit dieser Aufweitung besteht die Möglichkeit, auch mit dem Gas mitgeführte Partikel durchzulassen und Verstopfungen zu verhin­ dern. Hierbei wirkt auch der vorgespannte Schaft mit, der es durch das vorhandene Spiel in der Bohrung er­ möglicht, daß der Gasauslaßspalt einseitig vergrößert wird und das Partikel durch den größeren freien Quer­ schnitt entweichen kann. Hierbei ist es auch hilf­ reich, daß durch die durch das Partikel hervorgerufe­ ne Verengung des Bohrungsquerschnitts eine Erhöhung des Gasdruckes und damit eine Verschiebung des Schaf­ tes in Richtung Reaktorinnerem bei gleichzeitiger Vergrößerung des Gasauslaßspaltes bewirkt wird.

Die Vorspannung des Schaftes kann z. B. mit einer Druckfeder, die sich an einer Schraube abstützt er­ reicht werden. Durch einfaches Verdrehen der Schraube auf einem Gewinde kann die Vorspannung eingestellt werden. Dadurch können der Öffnungs- und Schließdruck der Gaszuführung und gleichzeitig auch die zuführbare Gasmenge und Gasdispersion beeinflußt werden.

Vorteilhaft ist es, wenn die Schraube beispielsweise mit einer flexiblen Welle oder einer anderen geeigne­ ten Einrichtung von außen manipulierbar ist, um auf einfache Weise nur durch Einstellung der Vorspannung gezielt Einfluß auf den Prozeß im Reaktor nehmen zu können.

Weitere Möglichkeiten zur Realisierung und Beeinflus­ sung der Vorspannung des Schaftes bestehen durch Er­ zeugung bzw. Aufrechterhaltung eines Druckes in einer Kammer, in der der Schaft oder ein anderes mit ihm verbundenes Element, wie ein Kolben, wirkt. Zur Druckerzeugung kann dabei ein Gas oder auch eine Flüssigkeit verwendet werden. In einfachster Weise kann das eigentliche Arbeitsgas hierfür eingesetzt werden. Auch bietet es sich an, die Vorspannung des Schaftes elektromagnetisch durch variierende Spulen­ spannung zu steuern und zu dynamisieren. Durch eine solche Steuerung bzw. Regelung ist es auch, wie dies bereits mit der Feder beschrieben wurde, möglich, die zuführbare Gasmenge und Gasdispersion quantitativ zu beeinflussen.

Bei der Fermentation in einem solchen Reaktor wirkt sich ein feiner Gasauslaßspalt, der durch Erhöhung der Vorspannung erreichbar ist, positiv aus, da die Gasdispergierung und damit auch der volumetrische Sauerstoff-Übergangskoeffizient verbessert wird. Dies ist im Gegensatz zu der herkömmlichen Verfahrensweise mit der erfindungsgemäßen Lösung bei Ausschluß der eingangs bezeichneten Verstopfungsgefahr möglich.

Mit der erfindungsgemäßen Gaszuführung besteht auch die Möglichkeit, den freien Querschnitt des geöffne­ ten Gasauslaßspaltes zu verändern. Dadurch wird ge­ zielt Einfluß auf die Gaszuführung genommen. Bei kleinem Spaltquerschnitt kann das Gas feiner in die Fermentationsmischung dispergiert werden und es er­ höht sich bei dem durch die Fermentationsmischung geförderten Gas der Stoffübergang. Besteht ein Gas­ kreislauf, kann das zirkulierende Gas effektiver gas­ förmige Komponenten in die Fermentationsmischung ein­ bringen oder daraus entfernen.

Das gebildete CO₂ kann den Stoffumsatz als Endprodukt hemmen und muß deshalb aus der Fermentationsmischung abgetrennt werden. Dies ist ebenfalls durch die er­ findungsgemäße Gaszuführung mittels Einstellung der Gasdispersion beeinflußbar.

Die auftretende Schaumbildung variiert im Reaktor durch Entwicklung der Population, Zell-Lyse und Bio­ tensidbildung. Dabei kommt es abhängig von der Gas­ dispersion zu einer mehr oder minder intensiven Schaumbildung. Die Schaumbildung kann daher ebenfalls mit der erfindungsgemäßen Gaszuführung beeinflußt und es kann dadurch verhindert werden, daß übermäßig ge­ bildeter Schaum in den Gaskreislauf eingezogen wird.

Durch die Messung der Menge des gelösten Sauerstoffs, des CO₂ und/oder der Schaumbildung im Reaktor kann beispielsweise mittels einer externen Steuerung der freizugebende Querschnitt des Gasauslaßspaltes in einer günstigen Weise auch stufenlos beeinflußt wer­ den. Dafür sind in der Steuerung Soll- und Istwerte abgelegt, deren Vergleich mit on line gemessenen Fer­ mentationsgrößen dazu ausgenutzt wird, ein Steuer­ bzw. Regelsignal für die erfindungsgemäße Gaszufüh­ rung zu erzeugen. Beispielsweise kann mittels eines mechanischen Antriebs ein Endanschlag verstellt wer­ den, so daß der maximal freigebbare Querschnitt ein­ stellbar ist. Das so gewonnene Signal kann aber auch einen Magnetschalter entsprechend steuern.

Die Gaszuführung nach der Erfindung hat insbesondere bei Langzeitfermentationen auch den Vorteil, daß durch die Möglichkeit der stufenlosen Einstellung des Gasauslaßspaltes auch der Energieverbrauch beeinflußt werden kann. Je feiner die eingestellte Gasdispersion ist, um so größer ist die entsprechende vom Verdich­ ter abgeforderte Leistung mit dem höheren Energiever­ brauch.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem vereinfachten Beispiel beschrieben werden.

Dabei zeigt die einzige Figur eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Gaszuführung 1.

Diese ist mittels nicht dargestellten Schrauben, die in Bohrungen 8 des Gehäuses 9 der Gaszuführung 1 ein­ schraubbar sind, am Reaktorboden befestigt. Das Gas wird über eine zentrale Zufuhr 10 mit Hilfe eines Verdichters in die im Inneren angeordnete Kammer 11 mit einem Förderdruck eingeführt. In der Wandung des Gehäuses sind Bohrungen 2, die die Kammer mit dem Reaktor verbinden, eingearbeitet. Das zur Reaktorsei­ te weisende Ende der Bohrungen 2 ist aufgeweitet und bildet den Gasauslaßspalt 3. Durch die Bohrungen 2 sind Schäfte 5 geführt, an deren in das Reaktorinnere ragenden Ende Dichtelemente 4 angebracht sind, deren Dichtfläche so groß ist, daß der gesamte Gasauslaß 3 abgedichtet werden kann.

Am anderen Ende der Schäfte 5 sind Federn 6, sich einmal an der Innenwand der Kammer 11 und auf der anderen Seite an einer Schraube 7 abstützend und in einer Vorspannung gehalten, vorhanden. Die Schraube 7 kann dabei mit einem auf dem Schaft 5 aufgebrachten Gewinde verstellt werden, um die Vorspannung zu ver­ ändern.

In einer möglichen Ergänzung kann eine nicht darge­ stellte flexible Welle mit der Schraube 7 verbunden und die Einstellung der Vorspannung von außen vorge­ nommen werden. Hierfür können aber auch komfortablere Lösungen, wie z. B. kleine Motore, eingesetzt werden.

Wenn kein ausreichender Gasdruck durch über die zen­ trale Zufuhr 10 eingebrachtes Gas in der Kammer 11 vorhanden ist, wird/werden der Schaft bzw. die Schäf­ te 5 mit der/den Feder(n) 6 in Richtung Kammer 11 gehalten und das/die Dichtelement(e) 4 verschließt/ verschließen den/die Gasauslaßspalt(e) 3 vollständig. Es erfolgt keine Gaszufuhr in den Reaktor, und ein Eindringen von Substanzen in die Bohrung(en) 2 wird verhindert.

Wird der Gasdruck in der Kammer 11 so erhöht, daß eine Kraft wirkt, die ausreicht, den Schaft bzw. die Schäfte 5 in eine Öffnungsstellung zu bewegen, gibt/geben das/die Dichtelement(e) 4 den/die Gasauslaß­ spalt(e) 3 entsprechend mehr oder weniger drei. Gas kann in den Reaktor gelangen und den Prozeß in der gewünschten Form beeinflussen.

Werden Partikel mit dem Gasstrom in eine der Bohrun­ gen 2 geführt, so kann durch das Spiel zwischen Schaft 5 und Bohrung 2 der Schaft 5 sich schrägstel­ len und dort, wo das Partikel ist, ein größerer Raum freigegeben werden. Weiter führt eine Verengung in der Bohrung zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Gases, die das Partikel mitreißen kann und zu­ sätzlich auch eine Kraft am Dichtelement 4 wirken läßt, die dazu führt, daß der Gasauslaßspalt 3 größer freigegeben ist und so ein Entweichen des Partikels erleichtert wird. Das Spiel zwischen Schaft 5 und Bohrung 2 sollte aber kleiner als die maximale Größe des Gasauslaßspaltes 3 sein.

Zur gezielten Einflußnahme auf die Fermentation kann auch eine stufenlose Einstellung der Größe des Gas­ auslaßspaltes 3 erfolgen. Hierbei wird mindestens ein Meßsignal ausgewertet und zur Beeinflussung benutzt. Zum Beispiel kann mittels einer elektromagnetischen Einrichtung, die aus einem dauermagnetischen Anker, der dem Schaft (5) entspricht und einer stromdurch­ flossen Spule besteht, die Beeinflussung vorgenommen werden. Dabei ist der Anker von der Spule umschlos­ sen. Der variable Stromfluß bestimmt die Kraft, mit der der Anker angezogen wird (vgl. 3/2-Wege Magnet­ ventil) und bestimmt damit der Vorspannung des Schaftes 5.

Es kann aber auch mittels einer nicht dargestellten externen Steuerung die bereits genannte flexible Wel­ le dazu benutzt werden, die Schraube 7 so einzustel­ len, daß nicht nur die Vorspannung sondern auch der durch die Schraube 7 vorgegebene maximale Weg, um den der Schaft 5 verschiebbar ist, eingestellt werden kann. Die Schraube 7 ist dabei ein verstellbarer End­ anschlag. Es können aber auch andere Endanschlaglö­ sungen beispielsweise mit Magnetschaltern oder wie bereits genannt kleine motorische Antriebe hierfür verwendet werden.

Claims (14)

1. Einstellbare Gaszuführung, die am Boden eines Fermentationsreaktors angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasfluß durch mindestens eine Bohrung (2) führbar ist, an deren in Richtung des Reak­ torinneren weisenden Seite ein Gasauslaßspalt (3) vorhanden ist und durch die Bohrung (2) ein gegen den Gasdruck vorgespannter, mit einem Dichtelement (4) zur Abdichtung des Gasauslaß­ spaltes (3) versehener Schaft (5) geführt ist.

2. Gaszuführung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schaft (5) mechanisch vorge­ spannt ist.

3. Gaszuführung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schaft (5) mit einer Feder (6) vorgespannt ist.

4. Gaszuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung der Feder (6) mit einer Schraube (7) einstellbar ist.

5. Gaszuführung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schaft (5) pneumatisch vorge­ spannt ist.

6. Gaszuführung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schaft (5) hydraulisch vorge­ spannt ist.

7. Gaszuführung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schaft (5) elektromagnetisch vorgespannt ist.

8. Gaszuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung von außerhalb des Reaktors einstellbar ist.

9. Gaszuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (4) zumindest an seiner Oberfläche aus einem gegen­ über der Fermentationsmischung chemisch inerten Werkstoff besteht.

10. Gaszuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (4) zumindest teilweise aus einem elastisch verform­ baren, den Gasauslaßspalt (3) abdichtend ver­ schließenden Material besteht.

11. Gaszuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasauslaßspalt (3) im wesentlichen durch eine Aufweitung der Bohrung (2) gebildet ist.

12. Gaszuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (4) im Gasauslaßspalt (3) zur Abdichtung zentrierend geführt ist.

13. Gaszuführung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der freigebbare Querschnitt des Gasauslaßspaltes (3) einstellbar ist.

14. Gaszuführung nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der freigebbare Querschnitt des Gasauslaßspaltes (3) mittels einer externen Re­ gelung unter Berücksichtigung der Reaktionskenn­ größen bei laufender Fermentation einstellbar ist.