DE2554440A1 - Verfahren und geraet zum umwaelzen eines gemischs aus einer fluessigkeit und einem gas - Google Patents

Verfahren und geraet zum umwaelzen eines gemischs aus einer fluessigkeit und einem gas

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DE2554440A1 DE19752554440 DE2554440A DE2554440A1 DE 2554440 A1 DE2554440 A1 DE 2554440A1 DE 19752554440 DE19752554440 DE 19752554440 DE 2554440 A DE2554440 A DE 2554440A DE 2554440 A1 DE2554440 A1 DE 2554440A1
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Description

Verfahren und Gerät zum.Umwälzen eines Gemischs aus einer Flüssigkeit und einem Gas
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät zum Umwälzen eines Gemischs aus einer Flüssigkeit und einem Gas, und zwar insbesondere auf ein Verfahren und ein Gerät für solche Fälle, bei denen eine möglichst gründliche Trennung des Gases von der Flüssigkeit erwünscht ist. Die Erfindung ist besonders für aerobe Fermentationen geeignet.
Industrielle Massenfermentationen, beispielsweise Verfahren zur Herstellung von Einzellerprotein, werden, zweckmäßig in Fermentiergeräten mit Druckumlauf durchge-
6 u y a 2 w 1 tue
führt, wie sie beispielsweise in der GB-PS 1 353 008, GB-PS 1 417 48.6 und GB-PS 1 417 487 beschrieben sind. In solchen Fermentiergeräten wird eine Kultur kontinuierlich in einem System umgewälzt, das eine Kammer mit aufsteigender Strömung, d.h. einen Steigraum, und eine Kammer mit fallender Strömung, d.h. einen Fallraum/ umfaßt, wobei diese Räume an ihren oberen und unteren Enden miteinander in Verbindung stehen und für die Umwälzung und Belüftung durch Einblasen von Luft in den unteren Teil des Steigraumes gesorgt wird.
Solche Fermentiergerg.te mit Druckumlauf benötigen Einrichtungen zum Abtrennen der Luft, die in Form von Blasen durch die umlaufende Kultur aufgestiegen ist. Daher muß sich am oberen Ende des Fermentiergerätes ein Raum befinden, in dem die flüssige Kultur eine freie Oberfläche hat. Die Luftblasen steigen zu dieser freien Oberfläche, wo sie dann von der flüssigen Kultur getrennt werden.
Der Lufttrennraum kann als waagerechtes Rohr ausgebildet sein, das die oberen Enden des Steigraumes und des Fallraumes verbindet und das während des Betriebes des Fermentiergerätes ungefähr zur Hälfte mit flüssiger Kultur gefüllt ist. Der wesentliche Funktionsparameter des Lufttrennraumes ist die Fläche der freien Flüssigkeitsoberfläche. Die zum Abtrennen der Luft unter idealen Bedingungen
erforderliche Fläche kann, aus folgender Gleichung (1) berechnet werden;
„,„ , _ .Flüssigkeitsdurchfluß (1)
Steiggeschwindigkeit der Blasen
Die Annahme idealer Bedingungen setzt unter anderem voraus,daß (a) die Strömung der eigentlichen Flüssigkeit gleichförmig ist und daß (b) die Steiggeschwindigkeit der Blasen nur wenig schwankt. Die Voraussetzung (b)wird in der Praxis im wesentlichen erfüllt, wogegen die Voraussetzung (a) in der Praxis nicht erfüllt ist, da die Flüssigkeitsströmung stark, turbulent ist. Dies hat zur Folge, daß die mit·Gleichung (1) berechnete Fläche zu klein ist und daß es, wie die Anmelderin festgestellt hat, praktisch erforderlich ist, die mit Gleichung (1) berechnete Fläche zu verdoppeln, um eine wirksame Trennung zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird nun ein Verfahren zum Umwälzen eines Gemisch aus einer Flüssigkeit und einem Gas vorgeschlagen, daß sich dadurch auszeichnet, daß das Gemisch kontinierlich in einem System mit einem Steigraum umgewälzt wird, der an seinem unteren Ende in Verbindung mit dem unteren Ende eines Fallraumes steht und an seinem oberen Ende über.einen Gastrennraum mit dem oberen Ende des Fallraumes in Verbindung steht, wobei der Steigraum einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt aufweist, der
eine größere Querschnittsfläche als der obere Abschnitt hat, und daß im unteren Abschnitt des Steigraumes in die Flüssigkeit Gas eingeblasen wird, das von der Flüssigkeit im Gastrennraum getrennt wird, in dem die Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit von nicht mehr als 0,2 m/sec nach' unten strömt. . .
Ferner wird erfindungsgemäß ein Gerät zum Umwälzen eines Gemisch aus einer Flüssigkeit und einem Gas vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, daß ein Steigraum vorgesehen ist, der an seinem unteren Ende in Verbindung mit dem unteren Ende eines Fallraumes steht und an seinem oberen Ende über einen Gastrennraum mit dem oberen Ende des Fallraumes in Verbindung steht, daß der Steigraum einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt aufweist, der eine größere Querschnittsfläche als der obere Abschnitt hat, daß sich .im unteren Abschnitt des Steigraumes eine Vorrichtung zum Einspeisen von Gas in den Steigraum befindet und daß der Gastrennraum so ausgebildet ist, daß Gasblasen aus der Flüssigkeit austreten können, während diese durch den Gastrennraum mit einer Geschwindigkeit von nicht mehr als 0,2 m/sec nach unten strömt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Gerät sind besonders für aerobe Fermentationsverfahren geeignet, und die Erfindung wird im folgenden
U U ü2 Ui10 L8
in Anwendung auf ein solches Verfahren erläutert. Es versteht sich jedoch, daß das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Gerät auf jedes Verfahren angewendet werden können, bei dem,ein Gas in eine Flüssigkeit einge-^ blasen wird und das sich ergebende Gemisch umgewälzt wird und bei dem eine Trennung des Gases von der Flüssigkeit
erfolgt.
Form und Aufbau des erfindungsgemäßen Fermentiergerätes sind so, daß die Gastrennung wirksamer erfolgt, so daß für die praktische Auslegung die mit Gleichung (1)
berechnete Fläche lediglich um 2 0% erhöht und nicht verdoppelt zu werden braucht. Ein wesentliches Merkmal der
Erfindung besteht darin, daß die ümwälzgeschwindigkeit im Gastrennraum automatisch auf eine größte Geschwindigkeit von 0,2 m/sec begrenzt wird.
Der Steigraum des Fermentiergerätes hat vorzugsweise zwei Hauptabschnitte, wobei der untere dieser Abschnitte eine größere Querschnittsfläche hat und den größten Anteil des nutzbaren Fermentiervolumens ergibt. Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche des unteren Abschnitts
drei bis sechs mal so groß wie die des oberen Abschnitts. Der obere Abschnitt hat die Aufgabe, den Druck im unteren Abschnitt zu erhöhen und die hydraulischen Antriebskräfte aufgrund des unterschiedlichen Blasengehalts im oberen
Abschnitt und im Fallraum zu verstärken.
Zur einfacheren Beschreibung werden im folgenden der obere Abschnitt des Steigraumes auch als Tülle und
der untere Abschnitt des Steigraumes auch als Topf bezeichnet. . ■ ■
Vorzugsweise ist der Trennraum als Behälter ausgebildet, der die Tülle umgibt und den Teil des Innenraumes des Fermentiergerätes, oberhalb des Topfes einnimmt, der
nicht von der Tülle eingenommen wird. Dies führt zu einem Behälter mit fester Konstruktion, der ohne äußere Abstützungen ausgebildet werden kann. Je nach der erforderlichen Strömungs-7 geschwindigkeit im Steigraum kann die Querschnittsfläche
des Trennraumes größer als die des Topfes sein, wobei dann der Behälter des Fermentiergerätes Keulenform haben kann.
Bei dem im vorstehenden Absatz beschriebenen
Fermentiergerät nimmt der Steigraum den mittleren Bereich des Fermentiergerätes ein, wobei der Trennraum und der Fallraum den Steigraum umgeben. Es ist jedoch auch möglich und kann in gewissen Fällen günstiger sein, den Trennraum und den Fallraum in der Mitte anzuordnen, wobei dann der Topf und die Tülle Ringräume um den Trennraum und den Fallraum herum bilden. In diesem Fall kann die Tülle als vollständiger Ringraum ausgebildet sein, oder sie kann in
mehrere, beispielsweise halbkreisförmige Zweige unterteilt sein. .
Im Trennraum fließt die Flüssigkeit entgegengesetzt zur Flüssigkeit in der Tülle, was bedeutet, daß die Flüssigkeit im Trennraum nach unten strömt. Alle Gasblasen in diesem Raum steigen nach oben, d.h. entgegengesetzt zur Flüssigkeitsströmung.
In einem Fermentiergerät mit bruckumlauf wird die Strömung, durch den unterschiedlichen Blasengehalt im Steigraum und im Fallraum hervorgerufen. Bei dem erfindungsgemäßen Gerät kann daher die Abwärtsgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Trennraum nicht größer sein als die natürliche Steiggeschwindigkeit der Blasen, da andernfalls die Blasen nach unten gezogen würden, so daß der unterschiedliche Blasengehalt zwischen dem Steigraum und dem Fallraum verschwinden würde.
Bei geringem Gasdurchsatz und wenn die Umlaufgeschwindigkeit durch hydraulische Verluste begrenzt wird, steigen im praktischen Betrieb alle Blasen aus der Tülle zur freien Oberfläche, wo sie aus der Flüssigkeit austreten. Wenn der Luft- bzw. Gasdurchfluß erhöht wird und die Umlaufgeschwindigkeit zunimmt, wird ein Teil des Gases nach unten in den Trennraum mitgerissen. Dadurch wird die treibende Kraft verringert, so daß das System einen Gleich-
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gewichtszustand einnimmt, in dem eine Blasenwolke, die sich im Trennraum gebildet hat, ein gewisses Stück nach unten ragt, diese Grenze jedoch nicht überschreitet. Dies führt zu der Wirkung, daß die Flüssigkeitsgeschwindigkeit im Trennraum auf einen Wert von ungefähr 0,2 m/sec eingesteuert wird. Dies bedeutet im Hinblick auf die Größe der Trennfläche, daß Gleichung (1) anwendbar ist, wenn als Geschwindigkeit 0,2 m/sec genommen wird, was lediglich eine Abweichung von ungefähr 2 0% im Vergleich zur typischen Steiggeschwindigkeit der Blasen von 0,25 m/sec bedeutet. Das erfindungsgemäße Gerät kann einen Wärmetauscher umfassen, der, wenn es sich um ein Fermentiergerät handelt, als Kühler dienen kann, um zu verhindern, daß die Temperatur der umlaufenden Kultur über die für das Wachstum der Mikroorganismen in der Kultur optimale Temperatur ansteigt. Bei großen Fermentiergeräten kann der Kühler entweder im Trennraum oder im Topf angeordnet sein oder deren Verbindung bilden. Vorzugsweise hat das Fermentiergerät einen Gesamtdurchmesser von zumindest 4 m. Der Topf, die Tülle, der Trennraum und der Fallraum können sämtlich innerhalb derselben Außenwand ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße Gerät wird vorzugsweise als Fermentiergerät mit einer Höhe von zumindest 20 m und insbesondere 30 bis 50 m ausgebildet. Bei kleineren Fermentiergeräten mit einer Höhe von beispielsweise bis zu 30m ist
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die Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung im Topf zweckmäßigerweise ungefähr die gleiche wie die Geschwindigkeit im Trennraum, so daß dann die Querschnittsflächen dieser Räume zweckmäßigerweise gleich sind. Wenn bei höheren Fermentiergeräten die Flüssigkeitsgeschwindigkeiten im Topf und im Trennraum gleich sind, ist die Umwälzzeit der Flüssigkeit größer, als sie für einen optimalen Stoffübergang von einem sauerstoffhaltigen Gas in die umlaufende Kultur erforderlich ist. Bei solchen Fermentiergeräten, beispielsweise Fermentiergeräten mit einer Gesamthöhe von 50 m und einer Topfhöhe von 35 m, ist vorzugsweise die Querschnittsfläche des Trennraumes auf beispielsweise das Zweifache der Querschnittsfläche des Topfes erhöht. Bei Fermentiergeräten, bei denen sowohl der Steigraum als auch der Fallraum innerhalb eines einzigen Behälters liegen, führt dies, zu einem Überhang des Trennraumes über die Kombination aus Topf und Fallraum. Dies ist zwar unter konstruktiven Gesichtspunkten unerwünscht; der erforderliche Überhang ist jedoch nicht groß und kleiner als der Überhang, der bei einem Trennraum mit waagerechter Strömung in einem im übrigen gleichen Fermentiergerät erforderlich würde. Der Überhang kann dadurch verhindert werden, daß dem Trennraum statt einer zylindrischen Form eine ungefähr konische Form gegeben wird.
Π tKJ 3 2 4 / 1 [H ß
Der Hauptgaseintritt liegt am unteren Ende des Steigraumes. Kleinere Gasmengen können jedoch auch an anderen Stellen in das System und insbesondere in den Fallraum eingeblasen werden. In den Fallraum an solchen Stellen eingeblasenes Gas, an denen die Flüssigkeitsgeschwindigkeit ausreichend groß ist, um die Blasen mitzureißen, kann zur Verbesserung des Stoffübergangs aus dem Gas in die umgewälzte Flüssigkeit und zur Verminderung der durch die Verdichtung des Gases hervorgerufenen Kosten ausgenutzt werden. Ferner kann Gas auch in den Trennraum und während des Anlaufens des Gerätes entweder in den Topf oder die Tülle in deren Übergangsbereich eingeblasen v/erden.
Das erfindungsgemäße Gerät kann auf Fermentiergeräte beliebigen Typs und insbesondere auf sehr große Fermentiergeräte angewendet werden. Das erfindungsgemäße Gerät ist auch für verhältnismäßig kleine Hilfsfermentiergeräte geeinget, die beispielsweise zur Impfung und zur Abwasserbehandlung beim Herstellungsverfahren für Einzellerprotein eingesetzt werden. Als Beispiele für Verfahren, bei denen die Erfindung mit Nutzen eingesetzt werden kann, können die Einzellerproteinherstellung beispielsweise durch Züchten von Bakterien auf einem kohlenwasserstoffhaltigen Substrat oder auf einem einen oxidierten Kohlenwasserstoff, z.B. Methanol, enthaltenden Substrat, Herstellungsverfahren für Aminosäuren und andere organische Säuren, z.B.
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-AA-
Zitronensäure,'und Herstellungsverfahren für Enzyme, z.B. Glukoseisomerase, und Antibiotika, z.3. Penicillin, genannt werden -.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform treten folgende typische Flüssigkeitsgeschwindigkeiten in den verschiedenen Räumen des Gerätes auf: Trennraum : 0,01 bis 0,20 m/sec Fallraum : 2,0 bis 2,5 m/sec Topf : 0,3 bis 0,6 m/sec Tülle : 2,0 bis 2,5 m/sec
Zweckmäßigerweise ist der Trennraum ungefähr so lang wie die Tülle und ist der Topf ungefähr so lang wie der Fallraum. Die wirksamen Querschnittsflächen des Fallraumes und der Tülle sind vorzugsweise ungefähr gleich,
Die äußere Ummantelung bzw. Wand des Gerätes umschließt vorzugsweise auch Räume oberhalb und unterhalb des Systems aus Fallraum und Steigraum. Im oberen Raum befinden sich zweckmäßierweise Schaumabscheider oder Zyklone, und der untere Raum kann einen Wärmetauscher aufnehmen. Die Exnblasvorrichtungen zum Einblasen von Gas in das untere Ende des Steigraumes können im unteren Raum unterhalb des unteren Endes des Steigraumes angeordnet sein.
-AX-
■ Die geometrische Ausbildung der bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gerätes ermöglicht, weniger große und weniger komplizierte Fermentiergeräte und verbesserte Strömungssteuerung.
Es sind zahlreiche geometrische Ausbildungen möglich. Zwar werden für die meisten Fälle, insbesondere für große Fermentiergeräte, koaxiale und symmetrische Ausbildungen vorgezogen; nicht koaxiale und nicht symmetrische Ausbildungen sind jedoch nicht ausgeschlossen. Beispielsweise bei der Konstruktion kleinerer Fermentiergeräte können verschiedene einschränkende Bedingungen, insbesondere im Hinblick auf die zur Wartung erforderliche Zugänglichkeit, eine-Fermentiergerätkonstruktion mit nicht koaxialer und/oder nicht symmetrischer Geometrie notwendig machen.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 5 näher erläutert, die schematisch fünf Ausführungsformen erfindungsgemäßer Fermentiergeräte zeigen.
B U y 8 2 U / 1 D i, 6
255Λ440
Jede der dargestellten Ausführungsformen weist einen Steigraum auf, der aus einem unteren Abschnitt bzw. Topf 1 und. einem oberen Abschnitt 2 besteht, der auch als Tülle bezeichnet wird. Der untere Abschnitt und der obere Abschnitt sind über einen Übergangsabsehnitt 7 miteinander verbunden. Ferner weist jede Ausführungsform einen Trennraum 3 sowie einen Fallraum 4 auf. Der obere Abschnitt 2 mündet in den Trennraum 3, der in Verbindung mit dem
Fallraum 4 steht, dessen unteres Ende in Verbindung mit dem unteren Abschnitt des Steigraumes bzw. Topf 1 steht. In das untere Ende des Topfes 1 wird von einer Einblasvorrichtung 5 Luft eingeblasen, was dazu führt, daß die im Fermentiergerät bzw. Gärbottich befindliche Kultur im Steigraum nach oben steigt, von dort in den Trennraum 3 strömt und danach in den Fallraum 4 gelangt. Das Fermentiergerät ist bis zur Höhe A-A mit Kultur gefüllt, wobei der Bereich oberhalb der Höhe B-B im Trennraum von mit Blasen durchsetzter Kultur ausgefüllt-wird. Aus dem Bereich oberhalb der Höhe B-B im Trennraum 3 tritt das Gas aus der Kultur aus, wonach es durch einen Auslaß 6 am oberen Ende des Fermentiergerätes ausströmt. Die Tülle 2, der Trennraum 3 sowie der Fallraum 4 und der Topf 1 sind koaxial angeordnet, wobei der Trennraum und der Fallraum bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 1, 2 und 5 den Steigraum umgeben und der Steigraum bei den Ausführungs-
formen gemäß den Fig. 3 und 4 den Fallraum und den Trennraum umgibt. Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 2 und 5 ragt der Trennraum 3 seitlich über den Fallraum 4 hinaus, wobei der Trennraum 3 gemäß Fig.2 zylindrische Form hat und der Trennraum 3 gemäß Fig. 5 konisch geformt ist. Bei dem Fermentiergerät gemäß Fig. 3 kann in den Fallraum zusätzlich von einer Einblasvorrichtung 8 Luft eingeblasen werden. In Fig. 4 ist der obere Teil eines Fermentiergerätes dargestellt, bei dem die Tülle 2 in mehrere Zweige unterteilt ist, von denen jeder einen halbkreisförmigen Quer*- schnitt hat.
6 0 υ B 2 U f "I 0 4 S

Claims (10)

  1. -15-P a t entansprüche
    Verfahren zum Umwälzen eines Gemisches aus einer Flüssigkeit und einem Gas, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch kontiniuerlich in einem System mit einem Steigraum umgewälzt wird, der an seinem unteren Ende in Verbindung mit dem unteren Ende eines Fallraumes steht und an seinem oberen Ende über einen Gastrennraum mit dem oberen Ende des Fallraumes in Verbindung steht, wobei der Steigraum einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt aufweist, der eine größere Querschnittsfläche als der obere Abschnitt hat, und daß im unteren Abschnitt des Steigraumes in die Flüssigkeit Gas eingeblasen wird, das von der Flüssigkeit im Gastrennraum getrennt wird, in dem die Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit von nicht mehr als 0,2 ra/sec nach unten strömt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit eine Kultur mit aeroben Mikroorganismen ist und daß das Gas ein sauerstoffhaltiges Gas ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsgeschwindigkeit im Gastrennraum zwischen 0,01 und 0,20 m/sec liegt, daß die Flüssigkeitsgeschwindigkeit im Fallraum zwischen 2,0 und 2,5 m/sec liegt, daß die
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    Flüssigkeitsgeschwindigkeit im unteren Abschnitt des Steigraumes zwischen 0,3 und 0,6 m/sec liegt und daß die Flüssigkeitsgeschwindigkeit im oberen Abschnitt des Steigraumes zwischen 2,0 und 2,5 m/sec liegt.
  4. 4'. Gerät zum Umwälzen eines Gemischs aus einer Flüssigkeit und einem Gas, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steigraum (1, 2) vorgesehen ist, der an seinem unteren Ende in Verbindung mit dem unteren Ende eines Fallraumes (4) steht und an seinem oberen Ende über einen Gastrennraum (3) mit dem oberen Ende.des Fallraumes in Verbindung steht, daß der Steigraum einen oberen Abschnitt (2) und einen unteren Abschnitt (1) aufweist, der eine größere Querschnittsfläche als der obere. Abschnitt hat, daß sich im unteren Abschnitt des Steigraumes eine Vorrichtung (5) zum Einspeisen von Gas in den Steigraum befindet und daß der Gastrenriraum so ausgebildet ist, daß Gasblasen aus der . Flüssigkeit austreten können, während diese durch den Gastrennraum mit einer Geschwindigkeit von nicht mehr als 0,2 m/sec nach unten strömt.
  5. 5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des unteren Abschnitts (1) des Steigraumes drei bis sechs mal so groß wie die Querschnittsfläche des oberen Abschnitts (2) ist.
    6U9824MG46
  6. 6. Gerät nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gastrennraum (3) den oberen Abschnitt (1) des · Steigraumes umgibt.
  7. 7. Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch einen im Steigraum angeordneten Wärmetauscher.
  8. 8. Gerät nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steigraum (1, 2), der Gastrennraum (3) und der Fallraum (4) innerhalb derselben Außenwand angeordnet sind, die einen Gesamtdurchmesser von zumindest 4 m hat.
  9. 9. Gerät nach einem der-Ansprüche 4 bis 8, gekennzeichnet durch Vorrichtungen (5, 8) zum Einblasen von Gas in den Steigraum (1,2) an mehreren Stellen und Vorrichtungen zum Einblasen von Gas in den Gastrennraum (3) und/oder Vorrichtungen zum Einblasen von Gas in den Fallraum (4).
  10. 10. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand Räume oberhalb und unterhalb der Anordnung aus Steigraum (1, 2), Fallraum (4) und Gastrennraum (3) umschließt und daß sich im Raum oberhalb dieser Anordnung ein Schaumabscheider oder ein Zyklon befindet.
    80^824/1046
    1*
    L e e r s e i t e
DE19752554440 1974-12-04 1975-12-03 Verfahren und geraet zum umwaelzen eines gemischs aus einer fluessigkeit und einem gas Ceased DE2554440A1 (de)

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GB5243074A GB1525930A (en) 1974-12-04 1974-12-04 Circulation of gas/liquid mixtures

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