DE2902753A1

DE2902753A1 - Verfahren und vorrichtung zum ausfuehren biotechnischer reaktionen

Info

Publication number: DE2902753A1
Application number: DE19792902753
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dr Schmidt; Theodor Dipl Chem Voeste
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1979-01-25
Filing date: 1979-01-25
Publication date: 1980-08-07

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Ausführen
biotechnischer Reaktionen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausführen biotechnischer Reaktionen in einem Flüssigkeit enthaltenden Schlaufenreaktor, wobei die Flüssigkeit auf- und absteigend im Kreislauf umgewälzt wird, der Aufstiegs- vom Abstiegskanal durch einen wand- oder rohrförmigen Einbau weitgehend getrennt ist und Gas durch den Aufstiegskanal strömt, sowie eine Vorrichtung hierzu.
Verfahren dieser Art und die zugehörigen Reaktoren, die man üblicherweise als Schlaufenreaktoren bezeichnet, sind bekannt und in Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 3, Seiten 372 bis 375, beschrieben. Bei den bekannten Kreislauf- oder Schlaufenreaktoren läßt es sich nicht vermeiden, daß Gasblasen in den abwärts strömenden Flüssigkeitsstrom gelangen, die dort durch ihren Auftrieb die Flüssigkeitsströmung bremsen. Dadurch wird der Flüssigkeitsumlauf in nachteiliger Weise verzögert und je nach der Art der Reaktion tritt auch eine ungleichmäßige Wärmeverteilung im Reaktor auf.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, zumindest einen Teil der Gasblasen im Aufstiegskanal daran zu hindern, in den Abstiegskanal zu gelangen. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß mindestens ein Teil der Gasblasen durch mehrere schräge, übereinander angeordnete Abscheideflächen am oberen Ende des Abstiegskanals am Übertritt in den Abstiegskanal gehindert und zur Flüssigkeitsoberfläche geleitet werden. Diese Gasblasenabscheidung kann sowohl für von außen begaste Flüssigkeiten als auch für solche Flüssigkeiten verwendet werden, in denen durch Reaktionen Gase entstehen, wie z.B. bei der Gärung.
Im allgemeinen läßt sich mit wachsender Zahl der Abscheideflächen die Gesamtwirkung verbessern, so daß es ohne weiteres möglich ist, das Volumen aller Gasblasen pro Liter Flüssigkeit im Aufstiegskanal mindestens doppelt so groß zu halten wie im Abstiegskanal.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens wird so ausgestaltet, daß am oberen Ende der Aufstiegszone mehrere schräge, übereinander angeordnete Abscheideflächen zum Auffangen und Ableiten von Gasblasen und Durchtrittsöffnungen zwischen den Abscheideflächen vorhanden sind. Die vom Aufstiegskanal kommende Flüssigkeit strömt zwischen den Abscheideflächen hindurch zu den Durchtrittsöffnungen und gelangt von da aus inden Abstiegskanal. Zweckmäßigerweise wird die Anzahl der Abscheideflächen größer als 10 und vorzugsweise größer als 20 sein. Prinzipiell ist für die Zahl der Abscheideflächen nach oben keine Grenze gesetzt, doch ergibt sie sich von selbst durch wirtschaftliche und praktische Uberlegungen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Summe der Projektionen der Abscheideflächen auf die Horizontalebene mindestens das 10-fache der Querschnittsfläche des Aufstiegskanals beträgt. Die Summe der Flächen der Durchtrittsöffnungen kann mindestens dSs 2-fache und vorzugsweise das 4-fache der Querschnittsfläche des Abstiegskanals betragen.
Die Durchtrittsöffnungen werden üblicherweise eine Höhe von 2 bis 12 mm und vorzugsweise von 5 bis 8 mm haben. Sie können als horizontale Schlitze ausgebildet sein. Die Blrchtrittsöffnungen bzw. Schlitze können mit Sieben oder Drahtnetzen versehen sein, wodurch auf einfache Weise eine Verengung erreicht wird. Dadurch läßt sich die Höhe der Darchtrittsöffnungen kleiner als der mittlere Durchmesser der Gasblasen im Aufstiegskanal ausbilden.
Um an den verschiedenen Abscheideflächen möglich gleiche FlfissigReitsmengen vorbeizuführen, empfiehlt es sich, die Größe der verschiedenen Blrchtrittsöffnungen von unten näch oben zunehmen zu lassen. Möglich ist es auch, die in den Abstiegs'Kanal hineinreichenden Ränder der verschiedenen Abscheideflächen nach oben zu immer weiter vorstehen zu lassen und dabei den Abstiegskanal immer mehr zu verengen. Wenn man die im'Aufstiegskanal liegenden Ränder der verschiedenen Abscheideflächen nach oben immer weiter, den freien Querschnitt des Aufstiegskanals erweiternd, zurückversetzt, können die Gasblasen ungehinderter zur Flüssigkeitsoberfläche aufsteigen.
Die Kreislaufreaktoren haben üblicherweise mindestens eine Gaszuführung im unteren Bereich des Aufstiegskanals. Die Wirksarreit dieser Reaktoren läßt sich weiter dadurh steigern, daß die Gaszuführung in ein vertikales Leitrohr mündet, das im Aufstiegskanal angeordnet ist. Um das Leitrohr herum bildet sich ein sekundärer Flüssigkeitskreislauf aus, wodurch die Verweilzeit im Aufstiegskanal verlängert und die Intensität der Reaktionen verstärkt wird Einzelheiten des Verfahrens und der Vorrichtung werden mit Hilfe der Zeichnung erläutert. Es zeigt: Fig. 1 einen Langsschnitt durch einen schematisch dargestellten Schlaufenreaktor, Fig. 2 zwei Abscheideflächen im Längsschnitt, Fig 3 eine abgewandelte Ausführungsform der Abscheideflächen und Fig. 4 eine weitere Ausführungsform des Schlaufenreaktors.
Der Schlaufenreaktor der Fig. 1 besteht aus einem flüssig keits- und gasdichten Behälter 1 von im allgemeinen zylindrischer Form. Im Innern befindet sich ein ortsfester rohrförmiger Einbau 2. Der Behälter 1 ist weitgehend mit Flüssigkeit gefüllt, die bis zum Flüssigkeitsspiegel 3 reicht.
Gaszufühuungen 4 und 5 mit einer gemeinsamen Speiseleitung 6 leiten ein Gas oder Gasgemisch in die Flüssigkeit, um die gewünschten biotechnischen Reaktionen herbeizuführen. Die Gaszuführungen münden im Ringraum zwischen dem Einbau 2 und der Behälterwand, so daß in diesem Bereich die Flüssigkeit unter der Wirkung des aufsteigenden Gases nach oben mitgenommen wird. Dieser Bereich wird deshalb als Aufstiegskanal 7 bezeichnet. Der Zentralbereich innerhalb des Einbaues 2 ist der Abstiegskanal 8, wo die Flüssigkeit nach unten strömt und um die Unterkante des Einbaues 2 herum wieder in den Aufstiegskanal 7 eintritt.
Über dem Einbau 2 befinden sich zahlreiche Abscheideflächen 9, von denen in Fig. 1 der besseren Übersichtlichkeit wegen nur vier eingezeichnet sind. Die Abscheideflächen sind ähnlich wie Trichter geformt, wie auch aus Fig. 2 hervorgeht. Zwischen benachbarten Abscheideflächen 9 bestehen Durchtrittsöffnungen 10, so daß die Flüssigkeit vom Aufstiegskanal 7 an den Abscheideflächen 9 vorbei durch die Öffnungen 10 hindurch zum Abstiegskanal 8 strömen kann. Die Gasblasen sammeln sich dabei an der schrägen Unterseite der Abscheideflächen und wandern von da nach oben zum Flüssigkeitsspiegel 3. Das Gas verläßt den Behälter durch die Leitung 11.
Mit Hilfe der Fig. 2 werden Einzelheiten der Ausführung und Anordnung der Abscheideflächen erläutert. Die Abscheideflächen 9 sind durch Streben 12 aneinander befestigt. Ihr Abstand A liegt im allgemeinen bei 2 bis 12 mm und'vorzugsweise bei 5 bis 8 mm. Die Abscheideflächen weisen jeweils einen zylindrischen Teil 13 auf, wodurch zur benachbarten Abscheidefläche eine verengte, schlitzförmige Durchtrittsöffnung 10 mit der Höhe H entsteht. Der Abstand A ist zumeist mindestens doppelt und vorzugsweise mindestens viermal so groß wie die Höhe H. Die Projektion einer Abscheidefläche auf die Horizontalebene ist mit P bezeichnet. Jede Projektion ergibt eine Ringfläche und die Summe dieser Ringflächen soll mindestens das 10-fache der Querschnittsfläche des Aufstiegskanals betragen.
In der Ausführungsform der Fig. 3 sind die trichter9ömigen Abscheideflächen 9a so angeordnet, daß der Abstiegskanal 8 nach oben zu verengt ist. Bei dieser Ausführungsform können die Gasblasen vom äußersten Rand der Abscheidefläche nach oben ungehinderter aufsteigen, weil die Ränder der Abscheideflächen nicht senkrecht übereinander liegen. Abweichend von Fig. 3 ist es auch möglich, daß die jeweils obere Abscheidefläche weiter nach außen vorspringt als die darunterliegende.
In Fig. 4 ist ein Schlaufenreaktor dargestellt, der nicht rotationssymmetrisch um eine vertikale Achse, sondern mit einem rechteckigen Behälter 1a ausgebildet ist. Hierbei wird der Aufstiegskanal 7 vom Abstiegskanal 8 durch eine vertikale Wand 14 getrennt. Die Abscheideflächen 15 haben nun nicht die Form von Trichtern, sondern sind dachartig ausgebildet. Die Barchtrittsöffnungen 10a haben die Form von horizontalen Schlitzen. Für die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform eines Schlaufenreaktors und vor allem der Abscheideflächen gelten die gleichen Bedingungen, die zuvor für die rotationssymmetrischen Abscheideflächen genannt wurden.
Der Reaktor der Fig. 4 weist am unteren Ende eine Gaszufuhr 16 auf. Sie mündet in ein Leitrohr 17, das vom Gas und der Flüssigkeit in vertikaler Richtung frei durchströmt werden kann.
Das Leitrohr bewirkt, daß sich in der Flüssigkeit ein Sekundärkreislauf ausbildet, wie er durch den punktiert eingezeichneten Strömungsweg 18 angedeutet ist. Selbstverständlich kann das Leitrohr 17 auch für den Reaktor der Fig. 1 mit den Gaszuführungen 4 und 5 verwendet werden. Vorteilhafterweise wird man jeder Gaszuführung ein Leitrohr 17 zuordnen, wodurch sich die Intensität der Reaktionen im Aufstiegskanal verstärken läßt. Das Leitrohr ist höchstens halb so hoch wie die Wand 14 bzw. der Einbau 2 und der Durchmesser des Leitrohrs ist höchstens halb so groß wie der Durchmesser bzw. die Breite des Aufstiegskanals.
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Claims

Patentansprüche 1) Verfahren zum Ausführen biotechnischer Reaktionen in einem Flüssigkeit enthaltenden Schlaufenreaktor, wobei die Flüssigkeit auf- und absteigend im Kreislauf umgewälzt wird, der Aufstiegs- vom Abstiegskanal durch einen wand- oder rohrförmigen Einbau weitgehend getrennt ist und Gas durch den Aufstiegskanal strömt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der Gasblasen durch mehrere schräge, übereinander angeordnete Abscheideflächen am oberen Ende des Aufstiegskanals am übertritt in den Abstiegskanal gehindert und zur Flüssigkeitsoberfläche geleitet werden.
2) Verfahren nach Anspruch I,rchekennzei&nnet, daß das Volumen aller Gasblasen pro Liter Flüssigkeit im Aufstiegskanal mindestens doppelt so groß ist wie im Abstiegskanal.
3) SchlauSenreaRtor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem wand- oder rohrförmigen Einbau zum weitgehenden Trennen von Aufstiegs- und Abstiegskanal einer im Kreislauf umgewälzten Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbau am oberen Ende des Aufstiegskanals mehrere schräge, übereinander angeordnete Abscheideflächen zum Auffangen und Ableiten von Gasblasen und Durchtrittsöffnungen zwischen den Abscheideflächen aufweist.
4) Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Abscheideflächen größer als 10 und vorzugsweise größer als 20 ist.
5) Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Projektionen der Abscheideflächen auf die Horizontalebene mindestens das 10-fache der Querschnittsfläche des Aufstiegskanals beträgt.
6) Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet daß die Summe der Flächen der Durchtrittsöffnungen mindestens das 2-fache und vorzugsweise mindestens das 4-fache der Querschnittsfläche des Aufstiegskanals beträgt.
7) Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnungen als horizontale Schlitze ausgebildet sind und der Abstand benachbarter Abscheideflächen mindestens das 2-fache, vorzugsweise mindestens das 4-fache der Schlitzhöhe beträgt.
8) Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß.die Durchtrittsöffnungen mit Sieben versehen sind.
9) Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, ch&ennzeichnetdaß die Höhe der Durchtrittsöffnungen kleiner als der mittlere Durchmesser der Gasblasen im Aufstiegskanal ist.
10) Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die die Größe der verschiedenen Durchtrittsöffnungen von unten nach oben zunimmt.
11) Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden; dadurch gekennzeichnet, daß die in den Abstiegskanal hineinreichenden Ränder der verschiedenen Abscheideflächen nach oben zu immer weiter vorstehen.
12) Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die im Aufstiegskanal liegenden Ränder der verschiedenen Abscheideflächen nach oben immer weiter, den freien Querschnitt des Aufstiegskanals erweiternd, zurückversetzt sind.
13) Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden mit mindestens einer Gaszuführung im unteren Bereich des Aufstiegskanals, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführung in ein vertikales Leitrohr mündat.