Der Einsatz von Flüssig/Fest-Wirbelschichten bietet gegenüber üblichen Festbett-Appara
ten in speziellen Anwendungsgebieten große Vorteile. Dies hat sich vor allem auf dem
Gebiet der Biotechnologie z. B. bei der Wasseraufbereitung, der enzymatischen Katalyse,
verschiedener Behandlungen von Mikroorganismen oder Zellen und bei der Extraktion und
chromatographischen Reinigung von Proteinen gezeigt.The use of liquid / solid fluidized beds offers compared to conventional fixed bed apparatus
great advantages in special application areas. This has mostly been on the
Field of biotechnology e.g. B. in water treatment, enzymatic catalysis,
various treatments of microorganisms or cells and during extraction and
chromatographic purification of proteins shown.
So müssen für eine Festbett-Adsorption von Biomolekülen aus Fermentationsbrühen die
suspendierten Feststoffe wie Zellen oder Mikroorganismen in einem vorgeschalteten
Trennungsschritt entfernt werden, da sonst das Festbett verstopfen würde. Diese Proble
matik kann durch die Anwendung einer Wirbelschicht-Adsorption aufgrund des höheren
Lückengrades umgangen werden, wodurch eine direkte Adsorption der Biomoleküle aus
Fermentationsbrühen ermöglicht wird.For a fixed bed adsorption of biomolecules from fermentation broths, the
suspended solids such as cells or microorganisms in an upstream
Separation step must be removed, otherwise the fixed bed would clog. This problem
matics can be increased due to the application of a fluidized bed adsorption
Gap degrees are avoided, which results in a direct adsorption of the biomolecules
Fermentation broth is made possible.
Bei der Anwendung der Wirbelschichttechnik treten jedoch verfahrenstechnische Probleme
auf, da die Ausdehnung der Wirbelschicht direkt von der Leerrohrgeschwindigkeit im
Apparat und der Partikeldichte und -größe abhängt:
When using fluidized bed technology, however, there are procedural problems, since the expansion of the fluidized bed depends directly on the empty tube speed in the apparatus and the particle density and size:
-
1. Ändert sich der Volumenstrom im Betriebszeitraum oder wird aus verfah
renstechnischen Gründen der Feststoff gewechselt, ändern sich die fluiddy
namischen Verhältnisse in der Wirbelschicht. Unter Umständen muß ein
neuer Wirbelschicht-Apparat eingesetzt werden.1. Does the volume flow change during the operating period or is it expired
Due to technical reasons, the solid changed, the fluiddy change
namic conditions in the fluidized bed. Under certain circumstances, a
new fluidized bed apparatus are used.
-
2. Treten im Prozess große Volumenstromschwankungen auf, so ist ein
erheblicher verfahrens- und regelungstechnischer Aufwand notwendig, um
eine stabile Wirbelschicht zu erzeugen.2. If large volume flow fluctuations occur in the process, then there is
considerable process and control engineering effort necessary to
to create a stable fluidized bed.
Aufgrund dieser Beschränkungen ist die Anwendung von Flüssig/Fest-Wirbelschicht-
Apparaten in der Industrie noch nicht verbreitet. Die vorliegende Erfindung löst die
Probleme.
Because of these limitations, the use of liquid / solid fluidized bed
Apparatus not yet widespread in the industry. The present invention solves the
Problems.
Es ist bekannt, dass Ultraschall sogenannte Strahlungskräfte auf suspendierte Teilchen
ausübt. Hierzu wurden die ersten theoretischen Grundlagen von King erarbeitet. Yosioka
und Kawasima erweiterten die Berechnungsgleichungen um die Feststoff-Kompressibilität
für den Sonderfall von Partikeln, die viel kleiner als die Wellenlänge des Ultraschalls sind
(Spengler, Jekel, "Ultrasound assisted solid-liquid Separation in environmental and water
technology - large scale processing performance enhancement and small scale analytical
applications", in: Thiem, Neis (Hrsg.), Reports on Sanitary Engineering, Vol. 25 (1999);
S. 189-204).It is known that ultrasound exerts so-called radiation forces on suspended particles. King's first theoretical foundations were developed for this purpose. Yosioka and Kawasima expanded the calculation equations to include solid compressibility for the special case of particles that are much smaller than the wavelength of ultrasound (Spengler, Jekel, "Ultrasound assisted solid-liquid separation in environmental and water technology - large scale processing performance enhancement and small scale analytical applications ", in: Thiem, Neis (ed.), Reports on Sanitary Engineering, Vol. 25 ( 1999 ); pp. 189-204).
Bisher wurden die Strahlungskräfte ausschließlich zur Abtrennung von sehr kleinen
Partikeln aus Flüssigkeiten genutzt. Hierbei wird der Effekt ausgenutzt, dass sich in einer
Flüssigkeit suspendierte Partikel in einem Stehwellenfeld je nach Feststoffdichte an den
Noden bzw. Antinoden sammeln und dort abgezogen werden können (Spengler, Jekel,
"Ultrasound assisted solid-liquid separation in environmental and water technology - large
scale processing performance enhancement and small scale analytical applications", in:
Thiem, Neis (Hrsg.), Reports on Sanitary Engineering, Vol. 25 (1999); S. 189-204;
Jöhring, "Einsatz von Ultraschall zur Partikelagglomeration und Fest-flüssig-Separation";
Dissertation an der TU Berlin, 1998; Bekker, Meyer, Pretorius, Van der Merwe, "Separati
on of Solid-Liquid Suspension with Ultrasonic Acoustic Energy", Wat. Res., 31 (1997),
S. 2543-2549)So far, the radiation forces have only been used to separate very small particles from liquids. The effect is exploited here that particles suspended in a liquid collect in a standing wave field depending on the solid density at the nodes or antinodes and can be removed there (Spengler, Jekel, "Ultrasound assisted solid-liquid separation in environmental and water technology - large scale processing performance enhancement and small scale analytical applications ", in: Thiem, Neis (ed.), Reports on Sanitary Engineering, Vol. 25 ( 1999 ); pp. 189-204; Jöhring," Use of ultrasound for particle agglomeration and solid liquid separation "; dissertation at the TU Berlin, 1998; Bekker, Meyer, Pretorius, Van der Merwe," Separati on Solid-Liquid Suspension with Ultrasonic Acoustic Energy ", Wat. Res., 31 ( 1997 ), p. 2543 -2549)
Die folgende Erfindung nutzt die Strahlungskräfte im fortlaufenden Ultraschallfeld aus, um
ein Festbett zu fluidisieren oder eine bestehende Wirbelschicht bei schwankenden Volu
menströmen zu stabilisieren. Dabei werden die Partikel bei ausreichender Ultraschall-
Leistung in den Bereichen hoher Schallintensitäten durch die Strahlungskräfte vom
Ultraschallwandler weggedrückt, wodurch in der Wirbelschicht eine Kreisströmung
induziert wird, wie in Zeichnung 1 schematisch dargestellt ist.The following invention takes advantage of the radiation forces in the continuous ultrasound field in order to
fluidize a fixed bed or an existing fluidized bed with fluctuating volu
stabilize the flow of men. With sufficient ultrasound, the particles are
Performance in the areas of high sound intensities by the radiation forces from
Ultrasonic transducer pushed away, causing a circular flow in the fluidized bed
is induced, as shown schematically in drawing 1.
Als Beispiel für das Verfahren ist der Aufbau in Zeichnung 1 dokumentiert. In einem
Doppelmantelgefäß (5) befindet sich der Feststoff (2). Die Flüssigkeit strömt durch den
Einlass (6) zunächst in den unteren Bereich des Gefäßes (4) von wo aus sie durch eine
Fritte oder einen Siebboden (3) in das Festbett bzw. die Wirbelschicht (2) strömt und
durch den Auslassstutzen (7) das System verlässt. Während des Stoffaustauschs der
festen und flüssigen Phase wird der Innenraum des Gefäßes durch einen Ultraschallsender
(1) mit Ultraschall beaufschlagt. Die Temperierung des Systems erfolgt über ein Kühl- oder
Heizmedium, das über die Stutzen (8) und (9) zu- und abgeführt werden kann, je nachdem
ob eine Gleich- oder Gegenstromführung angestrebt wird.The structure is documented in drawing 1 as an example of the process. The solid ( 2 ) is in a double jacket vessel ( 5 ). The liquid first flows through the inlet ( 6 ) into the lower region of the vessel ( 4 ) from where it flows through a frit or sieve bottom ( 3 ) into the fixed bed or the fluidized bed ( 2 ) and through the outlet nozzle ( 7 ) leaves the system. During the mass transfer of the solid and liquid phase, the interior of the vessel is subjected to ultrasound by an ultrasound transmitter ( 1 ). The temperature of the system is controlled by a cooling or heating medium, which can be supplied and discharged via the sockets ( 8 ) and ( 9 ), depending on whether a direct or countercurrent flow is desired.
Alternativ zu der dargestellten Anordnung einer einstufigen Wirbelschicht ist auch ein
System als mehrstufige Wirbelschicht möglich. Weiterhin kann die Anordnung der Be
schallungseinrichtung variiert werden. Es besteht die Möglichkeit, das System, wie in
Zeichnung 1 dargestellt, von oben oder von unten oder von der Seite mit Ultraschall zu
beaufschlagen. Auch eine Kombination der genannten Anordnung ist möglich.As an alternative to the arrangement of a single-stage fluidized bed shown, a
System possible as a multi-stage fluidized bed. Furthermore, the arrangement of the loading
sound equipment can be varied. There is a possibility to change the system as in
Drawing 1 shown from above or from below or from the side with ultrasound
act upon. A combination of the arrangement mentioned is also possible.