DE2644609A1

DE2644609A1 - Verfahren und vorrichtung zum durchfuehren einer gaerung

Info

Publication number: DE2644609A1
Application number: DE19762644609
Authority: DE
Inventors: Harold Mills Verstorbe Hawkins
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1976-10-02
Filing date: 1976-10-02
Publication date: 1978-04-06
Also published as: DE2644609C3; DE2644609B2

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Durchführen einer Gärung
Für das Durchführen von Gärungsverfahren, wie die aerobe Gärung von Mikroorganismen zur Herstellung von Einzellprotein, werden üblicherweise Gefäße verwendet. Die Größe dieser Gefäße hängt von der Produktionsgeschwindigkeit und anderen Variabeln ab und schwankt zwischen der Größe von Laboratoriumsausrüstungen bis zu Gefäßen von einer Größe von mehreren Millionen Liter. Typischerweise wird das gesamte Gärungsverfahren in dem Gefäß ausgeführt, wobei das Verfahren die aerobe Gärung, die Zuführung des Nährstoffs und der Kohlenstoffquelle, das Einleiten von Sauerstoff, den Fluß des Gärungsmediums und die Trennung der gasförmigen und der flüssigen Phase einsohließt. Für die zuletzt angeführte Stufe wird in der Regel eine besondere Einrichtung in dem Gefäß eingebaut. Die Gärungsverfahren sind exotherm und setzen große Wärmemengen frei, die durch Wärmeaustauscher entfernt werden müssen, die üblicherweise im Innern des Gefäßes angeordnet sind, aber auch auf der Außenseite des Gefäßes liegen können. Wegen der freigesetzten großen Wärmemengen müssen die Wärmeaustauscher große Oberflächen haben, um die Wärme'mit einer ausreichenden Geschwindigkeit abzuführen, so daß für das Wachstum der Mikroorganismen eine geeignete Temperatur in dem Gefäß aufrecht erhalten wird. Dadurch wird die Konstruktion und der Bau der Gärungsgefäße kompliziert und ihre physikalische Größe erhöht. Wegen der Anzahl der in dem Gefäß erforderlichen Komponenten ist-das Säubern und Sterilisieren der Gefäße schwierig und die Wartung der Gefäße und die ZufUhrung der Komponenten ist kompliziert.
Aufgabe der Erfindung ist deshalb, ein einfaches Gärungsverfahren und eine Gärungsvorrichtung einfacherer Konstruktion zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Durchführung einer Gärung durch Einführen einer Mikroorganismus-Impfung, eines geeigneten Nährstoffs, eines geeigneten Substrats und Sauerstoff in eine Gärungszone, in der die Gärung durchgeführt wird, Führen von vergorenem Material aus der Gärungszone in eine Trennzone, in der Flüssigkeit von Gas und Schaum getrennt wird und Aufarbeiten des Gärungsproduktes, wobei dieses Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß das in die Gärungszone eingeführte Material zusammen mit darin gebildeten Gärungsprodukten durch die Gärungszone über eine Wegstrecke geführt wird, die im wesentlichen über den größten Teil ihrer Länge horizontal ist, und daß das Volumen dieser Gärungszone größer als dasjenige der Trennzone ist.
Die Erfindung umfaßt auch eine Vorrichtung zum Durchführen einer Gärung gemäß diesem Verfahren. Diese Vorrichtung enthält ein Hohlgefäß mit einer Einrichtung zum Aufnehmen von Flüssigkeit in seinem unteren Teil und zum Entfernen von Schaum in seinem oberen Teil, eine längliche Leitung, die außerhalb des Hohlgefäßes angeordnet ist und damit in offenendiger Verbindung an einem oberen und einem unteren Teil dieses Gefäßes steht, eine Einrichtung zum Zuführen der Ausgangsmaterialien, eine Einrichtung zum Fördern von Flüssigkeit aus einem unteren Teil des Gefäßes durch die längliche Leitung in einen oberen Teil des Gefäßes, eine Einrichtung zum Einleiten von Gas in die längliche Leitung, eine Einrichtung zum Abführen von Wärme aus der länglichen Leitung und einen Auslaß für das Gärungsprodukt, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß der größte Teil der länglichen Leitung im wesentlichen horizontal ist und daß das Volumen der länglichen Leitung größer als das Volumen des Hohlgefäßes ist.
Die Erfindung stellt eine Gärungsvorrichtung zur Verfügung, die die Verwendung eines Gefäßes von geringerer Größe und einfacherer Bauweise ermöglicht. Diese Vorrichtung ermöglicht außerdem die Verwendung von großen Oberflächen zum Wärmeaustausch für eine wirksame Entfernung der Wärme während des Gärungsverfahrens. Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung besteht darin, daß die Mehrzahl ihrer Komponenten aus im Handel erhältlichen Materialien gebaut werden kann.
Zu den weiteren Vorzügen der Gärungsvorrichtung nach der Erfindung gehört ihre verbesserte Betriebsmöglichkeit, ihre relativ horizontale Anordnung, wodurch der hydrostatische Druck im Vergleich zu den üblichen Gärungsgefäßen reduziert wird, und die einfache Bauweise und Betriebsweise dieser Vorrichtung.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, die folgendes zeigen: Figur 1 ist eine schematische Schnittansicht einer Gärungsvorrichtung und Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer modifizierten Ausführungsform einer Gärungsvorrichtung.
In den Zeichnungen bedeutet die Bezugszahl 1 eine Gärungsvorrichtung in allgemeiner Weise, die ein Gefäß 2 einschließt, das eine Trennzone mit einem länglichen Rohrteil 3 (Reaktionszone) mit einem Eingang 4 und einem Ausgang 5 besitzt, die mit dem Inneren des Gefäßes 2 in Verbindung stehen. Die Pumpeinrichtung 7 dient zur Anregung der Strömung des flüssigen Gärungsmediuzns 8 durch das Rohrteil 3 von dem Eingang 4 zu dem Ausgang 5. Der Wärmetauschor 10 wirkt mit dem Rohrteil 3 zur Abführung der dort durch die Gärung freigesetzten Wärme zusammen. Gegebenenfalls kann eine Trenneinrichtung 11 vorgesehen werden, um einen Anteil des fluiden Mediums in eine Gasphase und eine flüssige Phase zu trennen. Die Einleitungseinrichtung 12 ist mit dem Rohrteil verbunden und kann zur Einführung von sauerstoffhaltigem Gas in das fluide Medium bei seiner Strömung durch das Rohrteil 3 dienen.
Das Gefäß 2 kann von beliebiger Art sein und kann, wie in den Figuren gezeigt wird, einen Mantelteil 14 besitzen, der einen inneren Hohlraum 15 umschließt. Bevorzugt besteht der Mantel aus einem festen und korrosionsbeständigen Material, wie Edelstahl. Der Eingang 4 ist bevorzugt mit dem Gefäß 2 in der Nachbarschaft seines unteren Endes verbunden und der Rohrteil 3 erstreckt sich bevorzugt seitlich von dem Gefäß 2, wobei ein größerer Teil des Rohrgliedes bevorzugt horizontal angeordnet ist. Wie die Figuren zeigen, enthält das Rohrteil 3 gerade Teile 17, die mit Hilfe von Umkehrbögen 18 hintereinander angeschlossen sind, wobei die Anzahl der geraden Teile 17 von den für das Gärungsverfahren erforderlichen Volumen der Reaktionszone abhängt. Der Ausgang 5 ist mit dem Gefäß 2 verbunden und steht mit dessen Innerem bevorzugt oberhalb des Ausgangs 4 aus später noch,täher erläuterten Gründen in Verbindung. Obwohl nur ein Rohrteil 3 in den Figuren gezeigt wird, ist zu beachten, daß eine beliebige Anzahl von solchen Rohrteilen- mit dem Gefäß 2 verbunden sein kann, wenn das für die Kapazität der Gärungsvorrichtung erwünscht ist. Bevorzugt besteht das Rohrteil 3eaus Abschnitten von Edelstahlrohren, die von üblicher Konstruktion und Dimension sind. Das Volumen oder die Kapazität des Rohrteils 3 ist größer als dasjenige des Gefäßes 2.
Die Pumpeinrichtung 7 kann eine durch einen Motor angetriebene Pumpe einschließen, die in Nachbarschaft des Eingangs 4 angeordnet ist und zum Pumpen des fluiden Mediums aus dem Gefäß 2 in das Rohrteil 3 und zur Zirkulation darin dient.
Es kann eine beliebige geeignete Pumpe verwendet werden; bevorzugt sind Pumpen ohne Hohlraumbildung. Die Pumpeinrichtung 7 kann gegebenenfalls auch Pumpen 21 einschließen, die mit dem Rohrteil 3 zusammenwirken und von denen Teile in geeigneter Weise in dem Rohrteil 3 angeordnet sind. Die Pumpen 21 können Turbinenpumpen oder Pumpen mit gezackten Propellern sein, wobei diese Pumpen bevorzugt eine Pumpwirkung bei hoher Scherbeanspruchung bewirken können, um die gasförmige und die flüssige Phase zu Schaum zu mischen. Die Pumpen 21 sind bevorzugt zwischen dem Eingang 4 und dem Ausgang 5 des Rohrgliedes 3 angeordnet, um die Pumpwirkung-der Pumpe 20 zu ergänzen oder zu ersetzen und das fluide Medium in gleichförmig gemischtem Zustand zu halten. Wenn eine Turbinenpumpe 21 verwendet wird, kann sie in Nachbarschaft eines Umkehrbogens 18 angeordnet werden, indem eine Düse oder ein Abschnitt von geringerem Durchmesser stromaufwärts von der Pumpe 21 angeordnet werden kann, um das durch das Rohrteil strömende fluide Medium in den Einlaß der Turbine für eine Verbesserung der Pumpwirkung zu lenken.
Die Wärmeaustauscheinrichtung 10 wirkt mit dem Rohrteil 3 zur Entfernung der während der Gärung in dem Rohrteil 3 freiwerdenden Wärme zusammen. Es kann eine beliebige Wärmeaustauscheinrichtung verwendet werden. In den Figuren ist ein Mantel 24 vorgesehen, der die geraden Rohrabschnitte 17 umgibt und einen ringförmigen Raum. abgrenzt, der für den Durchfluß des Kühlmittels dient. Der Wärmeaustauscher um den geraden Rohrabschnitt 17 kann in einer Reihe oder parallel mit dem Rest des Wärmeaustauschers durch Leitungen zwischen den Eingängen 25 und den Ausgängen 26 verbunden sein. In dem Ringraum zwischen dem Mantel und den Rohrabschnitten 17 können nicht gezeigte Ablenkbleche angeordnet sein, um die Strömung des Flußmittels durch den entsprechenden Wärmeaustauscher nach Wunsch zu beeinflussen.
Die Einleitungseinrichtung 12 kann von beliebiger geeigneter Art sein, vorausgesetzt, daß sie zur Einleitung von Sauerstoff in irgendeiner Form in das flüssige Medium, das durch das Rohrteil 3 fließt, geeignet ist. Unter "Sauerstoff" oder"sauerstoffhaltiges Gas" kann eine beliebige Form von Sauerstoff als solchem oder in Kombination mit anderen Stoffen, wie Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft verstanden werden. Die Einleitungseinrichtung kann einen Kompressor 28 einschließen, der mit dem Rohrteil 3 durch die Leitung 29 verbunden ist, die sich in das Innere des Rohrteils 3 erstreckt. Eine Gasverteilungseinrichtung, wie ein poröses Teil 30 ist in geeigneter Weise in dem Rohrteil 3 angeordnet und ist mit der Leitung 29 für die Dispergierung des Sauerstoffs in dem fluiden Medium verbunden. Ein zweites poröses Teil 31, kann eine poröse Wand in dem Rohrteil 3 bilden und ebenfalls mit der Leitung 29 verbunden sein, wodurch weiterer Sauerstoff in das fluide Medium eingeführt wird. Bevorzugt wird der Sauerstoff in Form von Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft eingeführt, wobei im Regelfall diese Luft aus der Atmosphäre entnommen, filtriert und sterilisiert wird, wozu die Reinigungseinrichtung 32 verwendet werden kann, die mit dem Kompressor 28 durch die Leitung 33 verbunden ist. In Abhängigkeit von dem Sauerstoffbedarf und der Länge des ringförmigen Teils 3 kann Sauerstoff in das längliche an einer Vielzahl von Stellen entlang seiner Länge zwischen dem Eingang 4 und dem Ausgang 5 eingeleitet werden1 wie z.B. über die Leitung 35, die das poröse Teil 36 in ähnlicher Weise mit dem Kompressor 28 verbindet, wie dies bei dem porösen Teil 30 der Fall ist. Der Sauerstoff wird bevorzugt in kleinen Bläschen verteilt, so daß eine große Oberfläche für die Berührung mit der flüssigen Phase durch die Verteilung und durch die Wirkung der Pumpen 21 vorhanden ist. Das Verhältnis von Sauerstoff zu Flüssigkeit wird bei einem derartigen Wert gehalten, daß ein für das Wachstum der Mikroorganismen geeigneter Schaumzustand vorhanden ist.
In die Leitung 29 kann durch die Leitung 38 durch beliebige (nicht gezeigte) Einrichtungen Sauerstoff zur Anreicherung des Sauerstoffgehaltes der Luft eingeführt werden. Durch die Leitung 39 kann durch geeignete (nicht gezeigte) Einrichtungen in die Leitung 29 ein oder mehrere Nährstoffe für das Wachstum der Mikroorganismen zur Herstellung von Einzellprotein zugeführt werden. Solche Nährstoffe schließen Ammoniak und ähnliche Verbindungen ein.
Bei den in den Figuren gezeigten Ausführungsformen der Erfindung kann das Gefäß 2 mit einer oder mehreren Schaleneinrichtungen 41 ausgerüstet sein, die an dem Mantel 14 und im Inneren des Gefäßes 2 angeordnet sind, wobei diese Schalen sich bevorzugt in verschiedenen Höhen befinden. Die Schalen 41 können von einer beliebigen geeigneten Bauart sein und besitzen vorzugsweise eine nach oben offene, im wesentlichen flache Oberfläche 40. In den Schalen 41 sind Öffnungen oder Kamine 41 vorhanden, um einen Durchgang nach oben für die Strömung des Schaums und des Gases in später noch näher beschriebener Weise zu ermöglichen. Diese Einrichtungen schließen Kanaleinrichtungen 42 ein, die sich an der entsprechenden Schale 41 befinden und Öffnungen 42 mit den erhöhten Kanälen 42 besitzen, durch die das Abfließen des schwereren fluiden Mediums nach unten durch die Öffnungen verhindert wird. Jede Schale 41 besitzt fernerhin ein Abflußrohr 43, durch das das dichtere fluide Medium nach unten fließt, wenn sein Niveau die Höhe des Dammes 44 übersteigt, der die Kante des entsprechenden Abflußrohres begrenzt. Wie aus den Zeichnungen ersichtlich ist, sind die Schalen und die Abflußrohre so angeordnet, daß das Abflußrohr einer Schale oberhalb derjenigen Seite der unmittelbar darunter liegenden Schale mündet, die entfernt von dem Abflußrohr dieser Schale ist, wodurch das fluide Medium über die Schalen von einer Kante bis zu der anderen Kante und dem nächsten Abflußrohr fließt.
Die Gärungsvorrichtung 1 ist bevorzugt mit einer Trennt in richtung ausgerüstet, die dazu dient, um den bei dem Gärungsverfahren entstandenen Schaum in eine flüssige und eine gasförmige Phase zu trennen. Anßtelle dieser mechanischen Trenneinrichtung oder in Kombination damit kann auch ein chemisches Entschäumen verwendet werden. Eine Leitung 45 ist mit dem oberen Teil des Gefäßes 2 verbunden und b:ldet einen Fließweg zu einem zweiten Gefäß 46. Eine mechanische Schaumbrecheinrichtung 47 von beliebiger Art ist in dem Gefäß 46 vorhanden und dient dazu, um den Schaum in eine Gasphase und eine flüssige Phase zu zerteilen. Die Gasphase entweicht durch die Abgasleitung 48 und die flüssige Phase sammelt sich im unteren Teil des Gefäßes 46 an. Eine Drucksteuereinrichtung 49 kann vorgesehen werden, um den Druck im Gefäß 2 zu steuern, wozu ein Ventil 50 betätigt wird, das in der Abgasleitung angeordnet ist und den Druck auf den gewünschten Wert einstellt. Dadurch kann die Gärungsvorrichtung bei dem gewünschten Druck, entweder bei atmosphärischem oder erhöhtem Druck, betrieben werden. Für diese Einrichtungen können beliebige geeignete Drucksteuergeräte und Ventile verwendet werden. Eine Abflußleitung 51 ist mit dem unteren Teil des Gefäßes 46 verbunden und ist für die Abführung der produkthaltigen Flüssigkeit aus dem Gefäß 46 eingerichtet. Bevorzugt ist eine Niveausteuereinrichtung mit dem Gefäß 2 verbunden, um das Niveau des flüssigen Mediums darin abzutasten und ein Ventil 53 in der Abflußleitung 51 in Abhängigkeit von Niveauänderungen zu steuern, um die Abführung von Flüssigkeit aus dem Gefäß 46 zu kontrollieren und dadurch gleichzeitig den Flüssigkeitsstand in dem Gefäß 2 zu steuern. Dies kann auch dadurch erreicht werden, daß eine Leitung 55 einen Fließweg zwischen dem Gefäß 46 und dem Gefäß 2 herstellt, wobei diese Leitung bevorzugt eine nicht gezeigte Heberfalle enthält, so daß überschüssige Flüssigkeit in dem Gefäß 46 zu dem Gefäß 2 zurückgeführt wird, um ein konstantes Flüssigkeitsvolumen darin aufrechtzuerhalten.
Die Erfindung wirdnoch besser verständlich durch eine Beschreibung der Betriebsweise der Gärungsvorrichtung. Eine Nährstoff-Substrat-Lösung, die bevorzugt eine wäßrige Lösung ist, wird dem Gefäß 2 durch einen Einlaß 56 zugeführt, wobei der Nährs-;off typischerweise ein kohlenstoffhaltiges Material, wie Methanol, oder eine andere für das Wachstum der Mikroorganismen geeignete Substanz enthält. In das Gefäß 2 wird-außerdem eine Impfung eines geeigneten Mikroorganismus eingeführt. Obwohl es bei einem derartigen Verfahren schwierig ist, zwischen Schaum, Maische und Flüssigkeit zu unterscheiden, bestehen Unterschiede bei diesen Produkten hinsichtlich der Gasmenge, die in der flüssigen Phase dispergiert ist, wobei der Schaum den höchsten Gasgehalt, die Maische einen mittleren Gasgehalt und die Flüssigkeit den niedrigsten Gasgehalt besitzt. Bei der vorliegenden Erfindung werden Schaum, Maische und Flüssigkeit als fluides Medium bezeichnet. An dem Boden des Gefäßes 2 setzt sich Flüssigkeit ab und wird von dort kontinuierlich in die Reaktionszone bzw. das längliche Rohrteil 3 mit Hilfe der Pumpeinrichtung 7 gefördert. Der größte Teil der Gärung und des mikrobiellen Wachstums spielt sich in dieser Reaktionszone ab.
Sauerstoff wird bevorzugt in Form von Luft oder mit Sauerstoff angereicherter Luft in die Flüssigkeit durch die Einleitungseinrichtung 12 eingeführt. Dadurch wird der erforderliche Sauerstoff für das Wachstum der Mikroorganismen zur Verfügung gestellt. Die Wärmeaustauscheinrichtungen erstrecken sich stromabwärts von der Stelle der Sauerstoffeinführung und dienen zur Abführung der Wärme, die durch das mikrobielle Wachstum erzeugt wird. Wie bereits festgestellt wurde, kann eine Stickstoffquelle als Nährstoff ebenfalls durch die Einleitungseinrichtung 12 zugeführt werden und eine bevorzugte Stickstoffquelle ist eine Base, wie Ammoniak, die gleichzeitig zur Kontrolle des pH-Wertes der Flüssigkeit bei der Gärung dienen kann. Der gemessene Wert wird von einer geeigneten pH-Steuereinrichtung 57 dazu verwendet, um ein Ventil 58 für die Geschwindigkeit der Zuführung des Ammoniaks in die Maische in dem rohrförmigen System zu steuern. Der größte Teil der Gärung spielt sich in dem Rohrteil 3 zwischen dem Eingang 4 und dem Ausgang 5 ab. Gärungsverfahren sind im allgemeinen exotherm und die freigesetzte Wärme wird durch die Wärmeaustauscher 10 abgeführt, um eine Temperatur aufrechtzuerhalten, die für das Wachstum der Mikroorganismen gut geeignet ist. Wie bereits festgestellt wurde, kann Sauerstoff an mehreren Stellen des rohrförmigen Gliedes eingeführt werden, um eine hohe Sauerstoffkonzentration in dem fluiden Medium bei seinem Durchgang durch den rohrförmigen Reaktor aufrechtzuerhalten. Dies ist notwendig, da die Mikroorganismen zu ihrem Wachstum Sauerstoff benötigen und den gelösten Sauerstoff in dem fluiden Medium mit hoher Geschwindigkeit verbrauchen.
Bei der Durchführung der Gärung ist eine möglichst gleichförmige Maischmischung erwünscht, so daß statische Mischeinrichtungen 59, wie Mischlöcher, in dem Rohrteil 3 angeordnet werden können, um eine gleichförmige Mischung zu erzielen.
Die Pumpen 21 dienen gleichzeitig zur Förderung der Maische durch den rohrförmigen Reaktor und zur Durchmischung der Maische. Nachdem die Gärung in der Hauptsache in dem länglichen Rohr 3 stattgefunden hat, wird die Maische über den Ausgang 5 wieder in das Gefäß 2 eingeführt. In diesem Gefäß kann eine Vielzahl von Schalen 41 angeordnet sein, um die Oberfläche der Maische zu vergrößern und die Abgabe des dispergierten Gases aus der Maische zu erleichtern. Dadurch wird die Bildung des Schaumes gefördert, der sich im oberen Teil des Gefäßes 2 sammelt und durch die Leitung 45 in die Trenneinrichtung 11 geführt wird. Durch Verwendung eines horizontal angeordneten Reaktors, d.h. des länglichen Rohrreaktors 3, kann der hydrostatische Druck in dem Gefäß 2 erniedrigt werden, wodurch auch der Dichtegradient der darin enthaltenen Maische reduziert wird. Der Schaum ist ein bevorzugtes Produkt im Gefäß 2, da dieser normalerweise eine höhere Konzentration an Proteinzellen enthält, die das bevorzugte Endprodukt dieses Gärungsverfahrens ist. Aus dem Gefäß 2 kann im übrigen das Produkt auch an anderen Stellen, wie im unteren Teil des Gefäßes, abgeführt werden. Der Schaum wird in der Trenneinrichtung 11 in eine Gasphase und in eine flüssige Phase getrennt, wobei die Gasphase durch die Abgasleitung 48 abgeführt wird und die Flüssigkeit sich auf dem Boden des Gefäßes 46 ansammelt. Die flüssige Phase kann durch die Abflußleitung 51 oder durch andere nicht gezeigte Einrichtungen abgeführt werden, um sie aufzuarbeiten und das Zellprodukt von der Flüssigkeit zu trennen.
Wie bereits ausgeführt wurde, kann eine Leitung 55 eine Verbindung zwischen dem Gefäß 46 und dem Gefäß 2 herstellen, um einen bestimmten Teil der im Bodenteil des Gefäßes 46 angesammelten Flüssigkeit in das Gefäß 2 für die weitere Vergärung zurückzuführen. Eine Kontrolleinrichtung 60 kann aus der Entfernung ein Ventil 61 steuern, das in der Leitung 55 angeordnet ist, um die Menge der durch die Leitung 55 fließenden Flüssigkeit zu beeinflussen. Die Kontrolleinrichtung kann so eingestellt werden, daß sie auf das Flüssigkeitsniveau im Gefäß 46 anspricht.
Die Schalen 41 können von beliebiger Bauart sein. Sie besitzen Öffnungen 42', die Kanäle bilden, die Abzüge für das Entweichen von Gas und/oder Schaum nach oben darstellen.
Die Maische fließt über die Schalen 41 zu einem entsprechenden Abflußrohr 43 und von dort auf die darunter befindliche Schale 41 und in gleicher Weise auf die darunter liegenden Schalen 41, wobei dadurch die Oberfläche des Schaums im Gefäß 2 erhöht wird und das Entweichen von Gas erleichtert wird und/oder die Verweilzeit des fluiden Mediums in dem Gefäß 2 verlängert wird, um das Entweichen der dispergierten Gase aus dem fluiden Medium zu ermöglichen. Zum Schluß wird die Maische von der letzten Schale 41 abgegeben und sammelt sich im unteren Teil des Gefäßes 2 als Flüssigkeit an, die dann durch den länglichen Rohrreaktor 3 zur weiteren Vergärung im Kreislauf geführt wird.
Zusätzlich zu den bereits gezeigten automatischen Steuereinrichtungen können weitere Kontrolleinrichtungen benutzt werden, wie die Steuerung durch einen Computer, der gleichzeitig mehrere Parameter der Gärungsvorrichtung und des Gärungsverfahrens steuern kann.
Figur 2 zeigt eine modifizierte Gärungsvorricltung nach der Erfindung, bei der gleiche Nummern gleiche oder ähnliche Teile wie in Figur 1 bezeichnen. Die Bezugszahl 63 bezeichnet eine Gärungsvorrichtung, deren Hauptunterschied gegenüber derjenigen von Figur 1 in den Gärungsgefäßen besteht.
Während die Vorrichtung von Figur 1 die Gefäße 2 und 46 besitzt, ist in der Vorrichtung 63 von Figur 2 nur ein einziges Gefäß 64 vorhanden, das durch einen Uberlaufdamm 65 in die Teile 66 und 67 getrennt wird. Der Gefäßteil 66 entspricht dem Gefäß 2 von Figur 1 und der Gefäßteil 67 dem Gefäß 46 von Figur 1. In dem Gefäßteil 66 sind Schalen 41 für die Herstellung des Schaums und die Abtrennung des Gases aus der Maische vorgesehen. Bei der Schaumtrennvorrichtung 47 ist in dem Gefäßteil 67 für die Trennung des dem Uberlaufdamm 65 überschreitenden Schaums in eine Gasphase und eine flüssige Phase angebracht.
Die Betriebsweise der Gärungsvorrichtung 63 ist ähnlich derwenigen der Gärungsvorrichtung 1.
Beispiel Dieses Beispiel erläutert ein typisches wäßriges Gärverfahren gemäß der Erfindung in einer Vorrichtung gemäß der Erfindung. Als Mikroorganismen werden bei dieser aeroben Gärung Bakterien verwendet und als Kohlenstoff- und Energiequelle Methanol. Typische Betriebsparameter sind wie folgt: Zellausbeute = 0,39 kg/kg Methanol-Ausgangsstoff Sauerstoffbedarf 3 3,0 kg 02/kg hergestellte Zellen Zellkonzentration r 3,0 Gew.% in der Maische, 6,0 Gew.% in Flüssigkeit von Schaumtrennung Verweilzeit im Reaktor = 3 Stunden Gärungswärme 10 000 cal/g Gesamte Fließgeschwindigkeit des Mediums im Rohrreaktor = 4,9 m/sec Flüssigkeit-/Ga3verhältnis im Rohrreaktor = etwa 1 vol/vol Zufuhrdruck im .Rohrreaktor = 3,1 atm Druck im Schaumtrenner = etwa 2,7 atm Gärungstemperatur = 40°C Für eine Gärungsvorrichtung mit einer Kapazität von etwa 37 900 Liter ergeben sich aufgrund dieser Parameter folgende Bedingungen: Geschw.'.ndigkeit des Zellwachstums = etwa 189 kg/h Rohrreaktor = sechzehn Abschnitte von einer Länge von 12,2 m und einem Durchmesser von 46 cm mit Umkehrbögen zur Verbindung der geraden Abschnitte Wärmeabführung: Jeder Abschnitt ist mit einem Rohr von einem einem Durchmesser von 51 cm umgeben und wird mit Wasser versorgt, das eine Eintrittstemperatur von 300C und eine Austrittstemperatur von 330C hat. Das Wasser wird mit einer Geschwindigkeit von 11 370 Liter/min gefördert.
4 Wärmeaustauscher sind in Reihe miteinander verbunden und bilden dadurch 4 parallele Einheiten, um eine ungefähre Geschwindigkeit des Kühlwasser in dem Ringraum von etwa 1,8 m zu ergeben oder um Ablenkeinrichtungen in dem Ringraum zu bilden, um den Strömungsweg des Kühlwassers zu verlängern und alle Abschnitte parallel zu verbinden.
Gasverteilung: Es werden etwa 399 L3ter/sec Luft bei 3,1 atm und 40°C oder 66,5 m/min bei 1 atm und 16°C in den Ringreaktor eingeführt.
Schaumtrennung(Gefäß 2): Das Gefäß sollte einen Durchmesser von etwa 2,1 m und eine Höhe von etwa 3,1 m haben und 3 Schalen mit Öffnungen mit Durchmessern von etwa 30 cm besitzen und der Uberlaufdamm sollte bevorzugt weniger hoch sein als 30 cm.
Gastrennung (Gefäß 46): Das Gefäß sollte einen Durchmesser von etwa 1,2 m und eine Höhe von etwa 2,7 m haben.
Kreislauffuhrung des flüssigen Mediums: etwa 24 m3/min Druckabfall über jede Länge des Rohrreaktors: etwa 52 mm Hg bei Verwendung einer Pumpe 21, die am Ende von jedem anderen Rohrabschnitt angeordnet ist. Es werden also sieben Pumpen 21 verwendet.
Kühlwasser: Strömungsgeschwindigkeit 11,4 m3/min; Temperaturerhöhung des Kühlmittels vom Eingang bis zum Ausgang 2,8"C.
Energiebedarf: Pumpen oder Laufräder etwa 112 kW Schaumbrecher 30 kW Luftkompressor 171 kW 313 kW Diese Werte gelten für eine typische Gärungsvorrichtung gemäß der Erfindung, doch können derartige Werte in Abhängigkeit von der Art der verwendeten Mikroorganismen, dem verwendeten fluiden Medium und anderen Faktoren schwanken.
Bezugszeichenliste 1 Gärungsvorrichtung 2 Gefäß 3 längliches Rohrteil (Rohrreaktor; Gärungszone) 4 Eingang 5 Ausgang 7 Pumpeinrichtung 8 Gärungsmedium 10 Wärmeaustauscher 11 Trenneinrichtung 12 Einleitungseinrichtung 14 Mantelteil 15 innerer Hohlraum 17 gerade Teile von 3 18 Umkehrbögen von 3 20 Pumpe 21 Pumpe 22 Abschnitt von 3 von geringem Durchmesser 24 Mantel 25 Eingang 26 Ausgang 28 Kompressor 29 Leitung 30, 31 poröse Teile 32 Reinigungseinrichtung 33, 35 Leitungen 36 poröses Teil 38, 39 Leitungen 40 Oberfläche von 41 41 Schale 42 Kanal 42' Öffnung 43 Abflußrohr 44 Damm 45 Leitung 46 zweites Gefäß 47 Schaumbre cheinrichtung 48 Abgasleitung 49 Drucksteuereinrichtung 50 Ventil 51 Abflußleitung 52 Niveausteuereinrichtung 53 Ventil 55 Leitung 56 Einlaß 57 pH-Steuereinrichtung 58 Ventil 59 statische Mischeinrichtung 60 Kontrolleinrichtung 61 Ventil 63 Gärungsvorrichtung 64 Gefäß 65 Überlaufdamm 66, 67 Teile von 64 L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche: Verfahren zum Durchführen einer Gärung durch Einführung einer Mikroorganismusimpfung, eines geeigneten Nährstoffs, eines geeigneten Substrats und von Sauerstoff in eine Gärungszone, in der die Gärung durchgeführt wird, Führen von vergorenem Material aus der Gärungszone in eine Trennzone, in der Flüssigkeit von Gas und Schaum getrennt wird und Aufarbeiten des Gärungsproduktes, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das in die Gärungszone eingeführte Material zusammen mit darin gebildeten Gärungsprodukten durch die Gärungszone über eine Wegstrecke geführt wird, die im wesentlichen über den größten Teil ihrer Länge horizontal ist und daß das Volumen der Gärungszone größer als dasjenige der Trennzone ist.
2. Vorrichtung zum Durchführen einer Gärung gemäß Anspruch 1 enthaltend ein Hohlgefäß mit Einrichtungen zum Aufnehmen von Flüssigkeit in seinem unteren Teil und zum Entfernen von Schaum in seinem oberen Teil, eine längliche Leitung, die außerhalb des Hohlgefäßes angeordnet ist und damit in offenendiger Verbindung an einem oberen und an einem unteren Teil dieses Gefäßes steht, eine Einrichtung zum Zuführen der Ausgangsmaterialien, eine Einrichtung zum Fördern von Flüssigkeit aus einem unteren Teil des Gefäßes durch die längliche Leitung in einen oberen Teil des Gefäßes, eine Einrichtung zum Einleiten von Gas in die längliche Leitung, eine Einrichtung zum Abführen von Wärme aus der länglichen Leitung und einem Auslaß für das Gärungsprodukt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der größte Teil der länglichen Leitung (3) im wesentlichen horizontal ist und daß das Volumen der Leitung (3) größer als'das Volumen des Gefäßes (2) ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Gefäß (2) eine oder mehrere Schalen (41) zum Berühren von Gas und Flüssigkeit enthält, wobei diese Schalen Einrichtungen (42) besitzen, um die Aufwärtsströmung von Gas zu ermöglichen, und Einrichtungen (43) besitzen, um die Abwärtsströmung von Flüssigkeit von diesen Schalen zu ermöglichen, und Einrichtungen (44) besitzen, um ein vorher bestimmtes Flüssigkeitsniveau auf diesen Schalen aufrechtzuerhalten.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h schaumbrechende Einrichtungen (11, 47), die in offener Verbindung mit einem Oberteil des Gefäßes (2) stehen, Einrichtungen (61), um die Flüssigkeit aus dem gebrochenen Schaum aufzusammeln, Einrichtungen (55), um einen Teil der so aufgesammelten Flüssigkeit in das Gefäß (2) zurückzuführen und Einrichtungen (51) zum Abziehen eines Teils dieser Flüssigkeit, die in dieser Weise aus dem System aufgesammelt wurde.