DE2539502A1

DE2539502A1 - Verfahren und vorrichtung zur fermentation

Info

Publication number: DE2539502A1
Application number: DE19752539502
Authority: DE
Inventors: Heinz Prof Dr Ing Blenke; Reinhold Dipl Ing Seipenbusch
Original assignee: Gelsenberg AG
Current assignee: BLENKE, HEINZ, PROF. DR.-ING., 7268 GECHINGEN, DE
Priority date: 1974-07-31
Filing date: 1975-09-05
Publication date: 1977-03-17
Also published as: DE2539502C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Fermentation Zusatz zu Patent 24 36 793 Gegenstand des Hauptpatentes 24 36 793 ist ein Verfahren zur aeroben Fermentation eines Substrates durch Mikroorganismen, bei dem an einem Ende eines Schlaufenreaktors ein FlLissigkeits-Gasgemisch hergestellt tmd mittels des Strahls der eingebrachten Flüssigkeit durch den Fermenter geführt wird. Die Herstellung des Flüssigkeits-Gasgemisches erfolgt zweckmässigerweise am unteren Ende des Fermenters; als vorteilhaft hat sich die Verwendung einer Zweistoffdüse herausgestellt. Die Flüssigkeit soll aus der Düse mit einer Geschwindigkeit von lo bis loo m/s, vorzugsweise 20 bis 40 m/s austreten.
Weiterhin ist Gegenstand des Hauptpatentes eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die aus einem Schlaufenreaktor mit einer in das Einsteckrohr gerichteten Zweistoffdüse besteht.
Bei der Ausführung des im Hauptpatent beanspruchten Schlaufenreaktors in grossen Einheiten hat es sich als zweckmässig herausgestellt, den Flüssigkeitsstrom und das zu dispergierende Gasvolumen auf mehrere Düsen aufzuteilen und so die Strömung des Lv'ermetlterinhalt,es zu verstärken.
Bei Fermentern mit grösseren Durchmessern können die Düsen in einer Ebene am unteren Ende des Fermenters angebracht sein. Ihre Wirkungsbereiche sollen den Querschnitt des Einsteckrohres weitgehend erfassen.
Wie im Hauptpatent ausgeführt, übernehmen die Flüssigkeitsstrahlen eine zweifache Aufgabe: die Zerteilung des Gasgemisches zur Erzeugung der erforderlichen Phasengrenzfläche zwischen dem sauerstoffhaltigen Gas und der Fermenterbrühe für den Sauerstoffübergang und die Verteilung des Reaktionsgemisches, indem eine Umlaufströmung um ein internes konzentrisches Strömungsleitrohr bewirkt wird.
Um beide Funktionen unabhängig voneinander einregeln zu können, ist es zweckmässig, neben den Zweistoffdüsen in einer bestimmten Anordnung, z.B. im Zentrum, Einstoffdüsen vorzusehen, die die Aufgabe haben, die Umlaufströmung des Flüssigkeits/Gasgemisches um das Strömungsleitrohr zu intensivieren und damit eine gleichmässigere Verteilung und Durchmischung aller Komponenten im gesamten Reaktionsraum zu bewirken.
Auf diese Weise ist es möglich, dass die Zweistoffdüsen für das optimale Verhältnis von Strahlleistung zu dispergierenden Gasvolumen ausgelegt werden, während mit Hilfe der Einstoffdüse die Feineinstellung zur Sicherstellung der erforderlichen Umwälzrate erfolgt.
Es ist bekannt, dass feinverteilte Gasblasen, die in einer F'lüssigkeit aufsteigen, mit zunehmender Höhe zum Koaleszieren neigen. Die Koaleszenzfrequenz und die Grösse der sich bildenden Blasen hängen dabei von den Eigenschaften des Gas/ Flüssigkeitsgemisches ab, von der Höhe der Flüssigkeitssäule und von der Bläschengrösse beim Einperlen in die Flüssigkeit. Es ist ausserdem bekannt, dass ein Flüssigkeitsstrahl, der in eine quasi-stehende Flüssigkeit eingebracht wird, mit zunehmendem Abstand vom Düsenmund in seiner Wirksamkeit nachlässt.
Es wurde nun gefunden, dass eine Redispergierung der Gasblasen und eine weitere Förderung des Flüssigkeitsumlaufes erreicht wird, wenn jeweils im Abstand von 2 - 7 DE (Durchmesser des Innenrohres) weitere Flüssigkeitsdüsen in Strömungsrichtung übereinander angebracht werden und mit einem Flüssigkeitsvolumenstrom beaufschlagt werden, der das o,5 - l,-fache des an der Basis eingebrachten Volumenstromes beträgt.
Aus dem Hauptpatent ist bekannt, dass für die Dispergierung der Blasen die eingebrachte Strahlleistung massgebend ist und für die interne Umwälzung die Reynoldszahl im Düsenaustritt. Durch entsprechende Dimensionierung und Aufteilung des Energie- und Volumeneintrags auf die in verschiedenen Höhen des Reaktors angebrachten Düsen ist leicht eine Anpassung an wechselnde Betriebsbedingungen des Reaktors möglich.
In der Zeichnung ist eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemässen Fermentationsvorrichtung dargestellt, und zwar in Fig. 1 im Längsschnitt, in Fig. 2 im Querschnitt längs der Linien A - A der Fig. 1.
Der zylindrische Fermentationsbehälter 1 ist durch das eingebaute konzentrische Strömungsleitrohr 2 in zwei Regionen unterteilt. Im Innenrohr strömt ein Flüssigkeits/Gas-Gemisch nach oben, während in dem Ringraum zwischen 1 und 2 die Flüssigkeit mit feineren Bläschen rezirkuliert.
Auf dem Verteilerring 12 sitzen, gleichmässig auf dem Umfang verteilt, mehrere Zweistoffdüsen 4. Die Pumpe 5 zieht aus dem Fermenter einen Teilstrom Kulturbrühe ab und fördert sie über den Kühler 6 und Leitung 7 zum Ringverteiler 12. Durch die Leitung 3 und Ringverteiler i4 wird ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt, das aus dem die Flüssigkeitsdüse konzentrisch umschliessenden Ringraum in das Turbulenzfeld des Flüssigkeitsstrahls geführt wird. Die Zweistoffdüsen 4 haben dabei eine doppelte Funktion, nämlich die Erzeugung von Phasengrenzfläche für den Sauerstoffübergang und die Erzeugung einer internen Umwälzung um das konzentrische Strömungsleitrohr.
Zur Einregelung der Umwälzrate wird von der Pumpe 15 über die Leitung 16 eine zentrisch angeordnete Einstoffdüse 13 beaufschlagt.
Zur Redispergierung der Gasblasen und zur weiteren Förderung der Umwälzströmung ist in einem Abstand von 2 -7 DE in Strömungsrichtung eine weitere Düsengruppe angeordnet, bestehend aus Einstoff- und Zweistoffdüsen.
Aus der Druckleitung der Pumpe 5 wird ein Teilstrom über Leitung 19 dem Ringverteiler 18 zugeführt. An das Ringrohr 18 sind in alternierender Reihenfolge Zweistoffdüsen 4 und nicht dargestellte Einstoffdüsen angeschlossen. Die Versorgung der Zweistoffdüsen mit sauerstoffhaltigem Gas erfolgt über den Ringverteiler 21, dem das Gas über Leitung 20 zugefuhrt wird.
In dieser Düsengruppe ist zentrisch eine weitere Einstoffdüse 13 angeordnet, die - ähnlich wie Düse 13 am Boden des Fermenters - die Aufgabe hat, die Feineinstellung zu übernehmen. Sie wird aus der Drucklei tung der Pumpe 15 über die Leitung 17 mit Kulturbrühe versorgt.
Der Fermenter weist daneben Stutzen für die Abführung von Gas sowie Erzeugnis und Zuführungsleitung für frisches Nährmedium sowie gegebenenfalls für gasförmiges Amoniak auf.

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur aeroben Fermentation eines Substrates durch Mikroorganismen nach Patent 24 36 793, wobei in einem Schlaufenreaktor ein Flüssigkeits-Gasgemisch hergestellt und mittels des Strahls der eingebrachten Flüssigkeit durch den Fermenter geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzung des Fermenterinhalts durch weitere Gas-Flüssigkeits und/oder Flüssigkeitsstrahlen verstärkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung der Strömung durch ein oder mehrere in Strömungsrichtung übereinander eingebrachte Gas-Flüssigkeits-und/oder Flüssigkeitsstrahlen bewirkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-Flüssigkeits- und/oder Flüssigkeitsstrahlen übereinander im Abstand vom 2 - 7-fachen des Einsteckrohrdurchmessers eingebracht werden und ihre Flüssigkeitsmenge jeweils insbesondere das 0,5 bis 1,5-fache der an der Basis eingebrachten Flüssigkeitsmenge beträgt.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlaufenreaktor (1) mehrere, insbesondere übereinander angeordnete, in Strömungsrichtung weisende Zweistoff- (4) und/ oder Einstoffdüsen (13) aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die übereinander angeordneten Zweistoff- (4) und/oder Einstoffdüsen (13) voneinander einen Abstand gleich dem 2 - 7-fachen des Durchmessers des Einsteckrohres haben.

Leerseite