DE3339570A1 - Verfahren und vorrichtung zur durchfuehrung chemischer oder biochemischer reaktionen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur durchfuehrung chemischer oder biochemischer reaktionen

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Description

  • Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung
  • chemischer oder biochemischer Reaktionen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung chemischer oder biochemischer Reaktionen unter Vermischen einer Flüssigkeit und gegebenenfalls eines Gases mit einem flüssigen Reaktionsmedium nach dem Prinzip eines Umlaufreaktors durch Eindüsen der Flüssigkeit und des Gases in einen im Reaktor für das flüssige Reaktionsmedium befindlichen, sich in Eintrittsrichtung der Flüssigkeit erstreckenden, beidseits offenen Kanal.
  • Es ist bekannt, Reaktionen zwischen Flüssigkeiten oder zwischen Gasen und Flüssigkeiten in Umlaufreaktoren auszuführen.
  • Dabei wird die Flüssigkeit in einem Reaktor durch einen Flüssigkeitstreibstrahl umgewälzt. Als Treibflüssigkeit werden die an der Reaktion beteiligten Reaktanten oder wird ein Teil des im Reaktor gebildeten Reaktionsgemisches verwendet.
  • Bei einem Schlaufenreaktor wird der Treibstrahl dazu über eine Düse mit hohem Impuls zugeführt. Der Treibstrahl ist in ein Impulsaustauschrohr gerichtet, das konzentrisch innerhalb des Reaktors angeordnet ist. Im Impulsaustauschrohr findet beim Aufsteigen der Treibflüssigkeit ein Impuls- austausch mit dem Reaktionsgemisch im Reaktor statt. Im konzentrischen Ringspalt um das Impulsaustauschrohr strömt das mit der Treibstrahlflüssigkeit vermischte Reaktionsgemisch nach unten zur Eindüsstelle des Treibstrahls zurück.
  • Im Reaktor wird somit das Reaktionsgemisch zusammen mit der eingedüsten Flüssigkeit in einer Schlaufe geführt. Die Energie des Treibstrahls kann auch zur Zer- und Verteilung eines für die Reaktion erforderlichen Gases genutzt werden.
  • Bekannte Schlaufenreaktoren bestehen somit im wesentlichen aus zwei konzentrischen Rohren. Die Abmessungen dieser Rohre können zwar optimiert werden, jedoch läßt sich das Reaktorvolumen nicht beliebig vergrößern. Sobald das Reaktorvolumen eine bestimmte Grenze überschreitet verschlechtern sich sowohl der spezifische Energieeintrag als auch die Strömungsverhältnisse, d.h. der Turbulenzgrad und die Durchmischung. Werden chemische oder biochemische Reaktionen in bekannten Umlaufreaktoren durchgeführt, so muß entweder ein begrenztes Volumen oder eine Verschlechterung von Reaktionsparametern in Kauf genommen werden. Bestimmte Produktionsprozesse, so z.B. die großtechnische Herstellung von Einzeilerprieein oder die Abwasserbehandlung, erfordern jedoch aus wirtschaftlichen Gründen ein sehr großes Reaktorvolumen.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art anzugeben, nach dem chemische oder biochemische Verfahren nach dem Prinzip eines Umlauf reaktors in technischem Maßstab und ohne Verschlechterung des spezifischen Energieeintrages oder der Strömungsverhältnisse durchgeführt werden können.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Flüssigkeit/das Gas in mehrere Teilströme aufgeteilt und diese in mehrere parallel zueinander verlaufende Kanäle eingedüst werden, wobei in jeden Kanal wenigstens ein Teilstrom eingeleitet wird, daß das aus jedem Kanal austretende Gemisch umgelenkt, mit aus benachbarten Kanälen austretendem Gemisch zusammengeführt und in Zwischenräumen zwischen den Kanälen in Gegenrichtung zur Strömungsrichtung innerhalb der Kanäle zu einer der Eindüsstellen zurückgeleitet wird, so daß sich eine Zirkulation um jede Kanalwand ergibt.
  • Erfindungsgemäß wird das Reaktionsgemisch in einem Reaktorbehälter in zahlreichen Flüssigkeitsschlaufen umgewälzt.
  • Für die Ausbildung einer Flüssigkeitsschlaufe ist wenigstens ein Treibstrahl erforderlich. Zur Strömungsführung sind erfindungsgemäß mehrere parallel zueinander verlaufende Kanäle vorgesehen, in die jeweils wenigstens ein Treibstrahl eingedüst wird. Nach dem Austritt aus den Kanälen strömt das Reaktionsgemisch in den Zwischenräumen zwischen den Kanälen in Gegenrichtung zur Strömungsrichtung innerhalb der Kanäle. Auf diese Weise werden mehrere Flüssigkeitsschlaufen gebildet. Mit wachsendem Reaktorvolumen nimmt die Zahl der Flüssigkeitsschlaufen zu.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, das Prinzip eines Strahldüsenreaktors bzw. eines Strahlschlaufenreaktors von kleinen auf größere Reaktorvolumina zu übertragen. Dabei bleiben der spezifische Energieeintrag (kW/m3) und die Strömungsverhältnisse, d.h. der Turbulenzgrad in die Durchmischung (Re-Zahl), die bei kleinen Umlaufreaktoren erzielt werden, erhalten.
  • Diese Eigenschaften bieten bei den oben angesprochenen Prozessen der Einzelproteinherstellung oder der Abwasserbehandlung wirtschaftliche Vorteile bzw. ermöglichen erst einen wirtschaftlichen Betrieb.
  • Chemische und biochemische Prozesse sind stets mit einem Energieumsatz verknüpft. Bei exothermen Reaktionen ist es nach einer vorteilhaften Ausgestaltung zweckmäßig, die Kanalwände zu kühlen, um so die Reaktionswärme abzuführen und die Temperatur im Reaktor auf möglichst konstantem Niveau zu halten. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird somit Reaktionswärme am Entstehungsort abgeführt. Diese Maßnahme hat z.B. bei Fermentationsprozessen, bei denen die Fermentationsflüssigkeit aus dem Fermenter abgeleitet und in einem Kreislaufsystem geführt wird, Vorteile: So entfällt ein zusätzlieher Wärmetauschbehälter und die damit verbundene Verrohrung. Der Strömungswiderstand im Kreislauf wird dadurch verringert, so daß der Druckabfall im Kreislaufsystem geringer ist. Von besonderer Bedeutung ist jedoch, daß die Verweilzeit der Fermentationsflüssigkeit im unbegasten Teil des Fermentationskreislaufs, d.h. außerhalb des Fermenters, kurz ist und den Mikroorganismen daher optimale Wachstumsbedingungen geboten werden.
  • Für den Fall, daß das Gemisch im Reaktor über die Kanalwände nicht ausreichend gekühlt werden kann, ist es in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, das in den Zwischenräumen strömende Gemisch zusätzlich zu kühlen.
  • Grundsätzlich ist es möglich, die einzudüsende Flüssigkeit im Boden des Reaktors in vertikaler Richtung nach oben einzudüsen. Soll jedoch ein gasförmiges Medium in den Reaktor eingebracht und durch den eingedüsten Flüssigkeitsstrahl zerteilt und anschließend verteilt werden, so kann es nach dem Aufsteigen des Gas-Flüssigkeitsgemisches zu einer unerwünschten Trennung der gasförmigen und der flüssigen Phase kommen. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird daher beim erfindungsgemäßen Verfahren die Flüssigkeit in Richtung der Schwerkraft eingeleitet. Dabei wird eingedüstes Gas in jedem Fall bis zum Reaktorboden mitge- rissen, umgelenkt und erst anschließend in den Zwischenräumen zwischen den Kanälen emporgeleitet. Dabei ist die Strecke, auf der das eingedüste Gas in Kontakt mit der Flüssigkeit bzw. dem flüssigen Reaktionsmedium steht, wesentlich länger als bei einer Eindüsung entgegen der Schwerkraft.
  • Ein gasförmiges Medium wird nach einer vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders gut in einem Reaktor dispergiert, wenn es seitlich in den eingedüsten Flüssigkeitsstrahl eingeleitet wird.
  • Falls das gesamte Volumen eines Kanals nicht von einem Treibstrahl erfaßt und in Bewegung versetzt werden kann, ist es in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, in diesen Kanal mehrere Treibstrahle, d.h. mehrere Teilströme einzuleiten. Die Zahl der Teilströme ist dabei so zu bemessen, daß das gesamte Volumen eines Kanals erfaßt wird.
  • Ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneter Reaktor besteht im wesentlichen aus einem Reaktorbehälter, in den Zuführungen für gasförmiges Medium und flüssiges Medium münden, sowie aus Einbauten zur Strömungsführung des flüssigen Reaktionsmediums in Schlaufenform, sowie einem Ausgang. Erfindungsgemäß sind nun innerhalb eines derartigen Reaktors mehrere Wände parallel, im wesentlichen vertikal und mit Abstand zueinander angeordnet, von denen jeweils zwei Wände einen Kanal bilden, wobei bei jedem zweiten Kanal wenigstens eine parallel zu den Wänden und in das Kanalinnere orientierte Einrichtung zur Zuführung von Flüssigkeit und gegebenenfalls eine Einrichtung zur Zuführung von Gas angeordnet ist und wobei die Wände oberhalb des Reaktorbodens mit Abstand zu diesem sowie unterhalb der Reaktordecke mit Abstand zu dieser enden.
  • Diese Anordnung gewährleistet, daß in zwei aufeinanderfolgenden Kanälen entgegengesetzte Strömungsrichtungen vorliegen. Sind die Einrichtungen zur Zuführung von Flüssigkeit und Gas oberhalb der Wände angeordnet, so entsteht in jedem Kanal, der sich unter einer derartigen Einrichtung befindet, eine abwärts gerichtete Strömung (Abströmkanal). In den diesem Kanal benachbarten Kanälen ist die Strömung vertikal nach oben gerichtet (Aufströmkanäle). Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Wände wird das Flüssigkeits-Gas-Gemisch des Abströmkanals nach dem Austritt aus diesem Kanal in zwei Ströme geteilt, von denen der eine in den einen benachbarten Aufströmkanal, der andere in den anderen benachbarten Aufströmkanal über die Spalte zwischen den Wänden und dem Reaktorboden fließt. Für eine gleichmäßige Strömung innerhalb aller Kanäle ist erforderlich, daß die Summe der Querschnittsflächen aller Abströmkanäle der Summe aller Querschnittsflächen der Aufströmkanäle gleicht. Vorteilhafterweise sind die Querschnittsflächen aller Kanäle - mit Ausnahme der den Reaktorbehälter-Seitenwänden benachbarten Kanäle - gleichgroß. Nachdem Durchströmen der Aufströmkanäle wird wenigstens ein Teil des Flüssigkeits-Gas-Gemisches erneut in einen Abströmkanal gezogen, ein anderer Teil kann aus dem Reaktorbehälter abgezogen werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Reaktors werden die Wände nach dem Prinzip eines Kreuæstromwärmetauschers von Kühlrohrschlangen im wesentlichen senkrecht durchsetzt. Die zur Strömungsführung im Reaktor eingebauten Wände dienen hierbei als Rippenfläche für die Kühlrohre. Die Kühlrohre, die als lockeres, quer angeströmtes Rohrbündel zu sehen sind, bewirken eine zusätzliche Verwirbelung und somit die Erhöhung des Gaseintrages.
  • In einer Variante sind die Wände eines erfindungsgemäßen Reaktors mit Vorteil als Kühlplatten ausgebildet, in die jeweils eine Zufuhr- und eine Abfluß leitung für ein Kühlfluid münden.
  • Gemäß einer anderen Variante hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die im Reaktor angeordneten Wände einen Taschenwärmetauscher bilden.
  • Bei allen möglichen Anordnungen der Wände innerhalb eines erfindungsgemäßen Reaktors können die Wände nach weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen sowohl ebene Flächen als auch gewellte Flächen sein. Die zuletztgenannte Variante wird bevorzugt, wenn im Reaktor eine möglichst große Wärmetauschfläche erforderlich ist.
  • Werden bei der chemischen oder der biochemischen Reaktion besonders große Reaktionswärmemengen gebildet, so ist es in einer Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Reaktores vorteilhaft, wenn in einem oder mehreren Kanälen zwischen den Kanälen mit Flüssigkeitszuführung Wärmetauscher angeordnet sind.
  • Ist die Querschnittsfläche eines Abströmkanals klein, so reicht eine Flüssigkeitszuführung aus. Bei großen Querschnittsflächen, insbesondere bei Querschnitten großer Länge und geringer Breite ist es zweckmäßig, wenn über jedem zweiten Kanal zwei oder mehrere Einrichtungen zur Zuführung von Flüssigkeit angeordnet sind, die im wesentlichenparallel zu den zugehörigen Kanalwänden liegen, und gegebenenfalls zwei oder mehrere Einrichtungen zur Zuführung von Gas im Bereich der Düsen angeordnet sind.
  • Auf diese Weise kann eine schlaufenförmige Umwälzung des Gas-Flüssigkeitsgemisches im gesamten Bereich eines Kanals sichergestellt werden. Es ist zweckmäßig, alle Einrichtungen zur Zuführung von Flüssigkeit bzw. Gas über jeweils eine gemeinsame Sammelleitung zu beaufschlagen.
  • Sind die Wände eines erfindungsggemäßen Reaktors als Wärmetauscher ausgebildet, so richtet sich die erforderliche Wärmetauschfläche nach der Wärmemenge, die aus dem Reaktor abzuführen ist. In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird die Zahl der Wände so bemessen, daß sich ein Wert für die spezifische Heizfläche bis zu 25 m2/m3 Reaktorvolumen ergibt.
  • Grundsätzlich kann der Reaktorbehälter aus allen Materialien gefertigt werden, die die Reaktion nicht beeinflussen.
  • Besonders eignen sich Kunststoff-oder Stahlbehälter. In einer günstigen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Reaktors kann der Reaktorbehälter aus Beton hergestellt und mit einer Innenauskleidung versehen werden.
  • Eine besonders einfache Handhabung des Reaktors ergibt sich, wenn die Wände und Wärmetauscher bzw. die als Wärmetauscher gefertigten Wände zu einem Einsatz angeordnet sind, der dem Reaktorbehälter entnehmbar ist. Derartige Einsätze können außerhalb des Reaktors vorgefertigt werden und sind besonders einfach zu entnehmen und zu reinigen bzw. auszutauschen.
  • Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn der Reaktorbehälter durch einen Deckel verschließbar ist, in dem die Einrichtungen für die Zufuhr von Flüssigkeit und gegebenenfalls Gas befestigt sind.
  • Da bei der großtechnischen Herstellung von Einzellerproteinen aus wirtschaftlichen Gründen ein besonders großes Reaktorvolumen anzustreben ist, ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Reaktors auf derartige Fermentationen besonders vorteilhaft.
  • Im folgenden sollen anhand schematischer Skizzen Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Reaktors erläutert werden. Der Reaktor dient dabei als Fermenter, in dem z.B.
  • Einzellerproteine durch Züchtung von Hefe hergestellt werden sollen.
  • Es zeigen: Figur 1 einen erfindungsgemäßen Fermenter mit Kühlplatten, Figur 2 einen schematisch dargestellten Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Fermenter, Figur 3 einen erfindungsgemäßen Fermenter, bei dem die Wände als Rippenflächen eines quer angeströmten Rohrbündels dienen.
  • In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fermenters schematisch dargestellt. Der Fermenterbehälter 1 besitzt rechteckigen Querschnitt. Parallel zu den kleineren Seitenflächen des Behälters sind mehrere, beispielsweise 40 Wände 2 mit gleichem Abstand zueinander vertikal derartig angeordnet, daß zwischen Fermenterboden 3 und den unteren Enden der Wände 2 bzw. zwischen der Fermenterdecke 4 und dem oberen Ende der Wände 2 jeweils ein Spalt freibleibt (siehe Figur 2). Die Wände 2 sind als Wärmetauscherlemente, in diesem Ausführungsbeispiel als Kühlplatten ausgeführt. In jede Kühlplatte mündet eine Zufuhrleitung 5 und eine Abflußleitung 6 für eine Kühlflüssigkeit.
  • Sämtliche Zufuhrleitungen 5 und Abfluß leitungen 6 sind an eine gemeinsame Sammelleitung für die Zufuhr 7 und den Abfluß 8 der Kühlflüssigkeit angeschlossen.
  • Durch die Wände 2 wird das Innere des Fermenterbehälters 1 in mehrere, im Ausführungsbeispiel in 41 Kanäle unterteilt.
  • Jeder zweite Kanal 9 ist ein Abströmkanal. Das heißt, über diesen Kanälen ist jeweils wenigstens eine Eindüsvorrichtung 11 für die Zuführung von Flüssigkeit bzw. Gas angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind über jedem Abströmkanal 9 ca. 20 Eindüsvorrichtungen 11 angeordnet, die parallel zu den Wänden 2 orientiert, in einer Reihe hintereinander und mit etwa gleichen Abständen zueinander angeordnet sind.
  • Zwischen zwei Abströmkanälen sowie zwischen den Fermenterbehälterseitenwänden und den dazu benachbarten Wänden 2 befinden sich Aufströmkanäle 10. Flüssigkeit wird dem Fermenter über eine Speiseleitung 12 zugeführt. Von der Speiseleitung 12 zweigen einerseits einige Versorgungsleitungen 13,über die Flüssigkeit direkt in den Fermenterbehälter 1 geleitet wird, und andererseits Zweigleitungen 14 ab. über je eine Zweigleitung 14 werden alle Düsenanordnungen 11, die über einem Abströmkanal aufgereiht sind, mit Flüssigkeit versorgt.
  • Sowohl von den Düsenanordnungen 11 als auch von den Zweigleitungen 14 sind nur diejenigen über den beiden ersten Abströmkanälen 9 dargestellt, während die übrigen nur schematisch angedeutet sind.
  • Im Ausführungsbeispiel soll Sauerstoff als gasförmiges Medium in den Fermenter eingeleitet werden. Dazu dient eine Sauerstoffversorgungsleitung 15. Uber diese Leitung wird in jeden aus einer Düse 11 austretenden Flüssigkeitsstrahl Sauerstoff eingedüst.
  • Gemäß Figur 1 münden in eine Seitenwand des Behälters in dessen Kopfbereich mehrere an eine Sammelleitung 16 ange- schlossene Leitungen 17, über die Flüssigkeit bzw. Flüssigkeits-Gasgemisch aus dem Fermentationsbehälter 1 abgezogen werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird beispielsweise eine Hefe-Suspension von einer nichtdargestellten Umlaufpumpe über Leitung 12 zum Fermenter 1 gepumpt. Die Hefe-Suspension kann vor dem Eintritt in den Fermenter mit Nährstoffen angereichert werden. Die Nährstoffzugabe kann aber auch an den Flüssigkeitsdüsen 11 erfolgen. Ein Teil der Hefe-Suspension fließt über die Versorgungsleitungen 13 direkt in den Fermenter 1. Der andere Teil der Hefe-Suspension wird über die Zweigleitungen 14 zu den (im Ausführungsbeispiel ca. 400) Düsen 11 geleitet und über diese in die unter den Düsen 11 liegenden, mit Hefe-Suspension gefüllten Abströmkanäle 9 als Treibstrahl ein-gedüst. In den Abströmkanälen wird der Impuls des Treibstrahles an die Suspension übertragen, so daß eine abwärts gerichtete Strömung hervorgerufen wird. Beim Austritt aus einem Abströmkanal 9 wird die Flüssigkeit bzw. das Flüssigkeits-Gasgemisch in einen zum links benachbarten und einen zum rechts benachbarten Aufströmkanal strömenden Teilstrom aufgeteilt, umgelenkt und zusammen mit dem entsprechenden Teilstrom aus dem jeweils nächsten Abströmkanal 9 zusammen geführt. In den Aufströmkanälen 10 herrscht somit eine zur Strömung in den Abströmkanälen entgegengesetzt gerichtete Strömung. Am oberen Ende der Aufströmkanäle wird wenigstens ein Teil der Flüssigkeit bzw. des Flüssigkeits-Gasgemisches erneut von einem der Treibstrahle erfaßt und in einen Abströmkanal 9 gezwungen. Auf diese Weise bilden sich um jede Wand 2 Schlaufen aus. Die in einer Schlaufe umlaufende Menge beträgt dabei ein Vielfaches der Treibstrahlmenge.
  • Erfindungsgemäß wird die Hefe-Suspension über Versorgungsleitung 15 mit dem für ein optimales Hefewachstum erforderlichen Sauerstoff versorgt. Bei der Fermentation handelt es sich um einen exothermen Prozeß. Die Reaktionswärme wird über die als Wärmetauscher ausgebildeten Wände 2 abgeführt.
  • Zu diesem Zweck wird eine Kühlflüssigkeit, z.B. Wasser, über die Zufuhrsammelleitung 7 und die Zufuhrleitungen 5 in die Innenräume der Wände 2 eingeleitet. Die im indirekten Wärmetausch mit der Hefe-Suspension erhitzte Kühlflüssigkeit wird über Abfluß leitungen 6 in die Abflußsammelleitung 8 geleitet.
  • Zur Abtrennung der gezüchteten Hefe wird Hefe-Suspension über Leitungen 16 und 17 aus dem Fermenter entnommen und zu einer geeigneten, nichtdargestellten Trennvorrichtung geleitet. Die verbleibende Flüssigkeit wird von der Umlaufpumpe erneut in den Fermenter 1 eingeleitet.
  • In Figur 2 ist ein erfindungsgemäßer Fermenter im Querschnitt dargestellt. Die Wände 2 sind vertikal angeordnet und lassen Spalten zur Decke und zum Boden des Fermenterbehälters 1 frei. Durch Pfeile sind die Strömungsrichtungen in den einzelnen Kanälen 9, 10 angedeutet. Uber den Abströmkanälen sind die Eindüsvorrichtungen 11 für die Hefe-Suspension dargestellt, die über Zweigleitungen 14 beaufschlagt werden.
  • In diesem Ausführungsbeispiel umgeben die Versorgungsleitungen 13, über die der Rest der im Kreislauf geführten Hefe-Suspension in den Fermenter geleitet wird, die Düsen 11 konzentrisch. Sauerstoff aus der Sauerstoffversorgungsleitung 15 wird über seitlich an den Düsen 11 angeordnete Düsen 18 in den Flüssigkeitsstrahl aus jeder Düse 11 eingedüst. Der Sauerstoff wird dabei vorteilhafterweise schräg oder senkrecht zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit in diese eingedüst. Die aus dem Fermenter 1 abzuführende Hefe-Suspension wird über die Leitungen 17, die in den Deckel des Fermenterbehälters münden, und die Sammelleitung 16 entnommen. Die Anordnung der Leitungen 17 im Kopfbereich ist wesentlich, da bei einer Entnahme im Bodenbereich des Fermentersdie Gefahr besteht, daß eine Entmischung des Flüssigkeits-Gas-Gemisches erfolgt und sich im Xopfbereich eine Gasblase bildet.
  • Gestrichelt ist in Figur 2 ein Zusatzwärmetauscher in einem der Auf strömkanäle dargestellt. Zusätzwärmetauscher können in jedem Auf strömkanal angeordnet und ähnlich wie die Wände 2, z.B. als Kühlplatten, ausgebildet sein.
  • In Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fermenters schematisch dargestellt. Dabei bilden die Wände 2 die Rippenflächen eines Rohrbündelwärmetauschers.
  • Die Wände 2 bzw. Rippenflächen werden von einer Rohrschlange 20 im wesentlichen senkrecht durchsetzt. Durch diese Rohrschlange wird z.B. Kühlwasser geleitet. Durch Pfeile sind die Richtungen der einzudüsenden Flüssigkeit und der Strömungen zwischen den Wänden 2 angedeutet.
  • Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung chemische und biochemische Verfahren nach dem Prinzip eines Umlaufreaktors in technischem Maßstab durchgeführt werden können, wobei die durch den Treibstrahl erzeugte spezifische Energiedichte sowie die von herkömmlichen Reaktoren kleineren Maßstabs bekannten Umwälz- und Mischbedingungen beibehalten werden. Im Reaktorbehälter ist ein Wärmetauscher integriert, so daß bei Reaktionen, in deren Verlauf der Reaktorinhalt begast und in einem Kreislauf geführt wird, das unbegaste Volumen außerhalb des Reaktors relativ klein und der Strömungswiderstand dieses Kreislaufs gering ist.
  • Da der Uberdruck im Behälter z.B. bei Fermentationen gering ist (z.B. kleiner als 0,5 bar) kann der Reaktor auch als Behälter mit rechteckigem Querschnitt ausgeführt sein.

Claims (19)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zur Durchführung chemischer oder biochemischer Reaktionen unter Vermischen einer Flüssigkeit und gegebenenfalls eines Gases mit einem flüssigen Reaktionsmedium nach dem Prinzip eines Umlaufreaktors durch Eindüsen der Flüssigkeit und des Gases in einen im Reaktor für das flüssige Reaktionsmedium befindlichen, sich in Eintrittsrichtung der Flüssigkeit erstreckenden, beidseits offenen Kanal, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit/ das Gas in mehrere Teilströme aufgeteilt und diese in mehrere parallel zueinander verlaufende Kanäle eingedüst werden, wobei in jeden Kanal wenigstens ein Teilstrom eingeleitet wird, daß das aus jedem Kanal austretende Gemisch umgelenkt, mit aus benachbarten Kanälen austretendem Gemisch zusammengeführt und in Zwischenräumen zwischen den Kanälen in Gegenrichtung zur Strömungsrichtung innerhalb der Kanäle zu einer der Eindüssstellen zurückgeleitet wird, so daß sich eine Zirkulation um jede Kanalwand ergibt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalwände gekühlt werden.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Zwischenräumen strömende Gemisch gekühlt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in Richtung der Schwerkraft eingeleitet wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das einzuspeisende.as unmittelbar an der Düsenmündung in enFltissigkeitsstrahl eingeleitet wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Kanal oder in mehrere Kanäle jeweils mehrere Teilströme eingeleitet werden.
  7. 7. Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem Reaktorbehälter, in den Zuführungen für gasförmiges Medium und flüssiges Medium münden, mit Einbauten zur Strömungsführung des flüssigen Reaktionsmediums in Schlaufenform sowie einem Ausgang, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Reaktors (1) mehrere Wände (2) parallel, im wesentlichen vertikal und mit Abstand zueinander angeordnet sind, von denen jeweils zwei Wände einen Kanal bilden, wobei bei jedem zweiten Kanal (9) wenigstens eine parallel zu den Wänden (2) und in das Kanalinnere orientierte Einrichtung zur Zuführung von Flüssigkeit (11) und gegebenenfalls eine Einrichtung zur Zuführung von Gas (18) angeordnet ist und wobei die Wände (2) oberhalb des Reaktorbodens (3) mit Abstand zu diesem sowie unterhalb der Reaktordecke (4) mit Abstand zu dieser enden.
  8. 8. Reaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (2) nach dem Prinzip eines Kreuzstromwärme- tauschers von Kühlrohrschlangen (20) im wesentlichen senkrecht durchsetzt werden.
  9. 9. Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (2) als Kühlplatten ausgebildet sind, in die jeweils eine Zufuhrleitung (5) und eine Abflußleitung (6) münden.
  10. 10. Reaktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (2) einen Taschenwärmetauscher bilden.
  11. 11. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände ebene Flächen sind.
  12. 12. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände gewellte Flächen sind.
  13. 13. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in einem oder mehreren Kanälen (10) zwischen den Kanälen (9) mit Flüssigkeitszuführungen Wärmetauscher (19) angeordnet sind.
  14. 14. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß über jedem zweiten Kanal (9) zwei oder mehrere Einrichtungen (11) zur Zuführung von Flüssigkeit angeordnet sind, die im wesentlichen parallel zu den zugehörigen Kanalwänden (2) liegen, und gegebenenfalls zwei oder mehrere Einrichtung (18) zur Zuführung von Gas im Bereich der Düsen angeordnet sind.
  15. 15. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizflächendichte einen Wert bis zu 25 m2/m3 Reaktorvolumen hat.
  16. 16. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorbehälter (1) aus Beton gefertigt ist und die Innenseite des Reaktorbehälters mit einer Auskleidung versehen ist.
  17. 17. Reaktor nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (2) und Wärmetauscher (19) bzw. die als Wärmetauscher gefertigten Wände zu einem Einsatz angeordnet sind, der dem Reaktorbehälter (1) entnehmbar ist.
  18. 18. Reaktor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorbehälter (1) durch einen Deckel (4) verschließbar ist, in dem die Einrichtungen für die Zufuhr von Flüssigkeit (11,14) und gegebenenfalls Gas (15,18) befestigt sind.
  19. 19. Anwendung des Verfahrens und der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19 auf fermentative Reaktionen.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2662705A2 (fr) * 1984-05-28 1991-12-06 Commissariat Energie Atomique Appareil amovible pour la production intensive et controle de biomasse.
WO1993022418A1 (en) * 1992-04-28 1993-11-11 Pirtferm Limited Bioreactor system
WO1998050375A1 (de) * 1997-05-07 1998-11-12 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und reaktor zur herstellung von ethylenoxid

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2662705A2 (fr) * 1984-05-28 1991-12-06 Commissariat Energie Atomique Appareil amovible pour la production intensive et controle de biomasse.
WO1993022418A1 (en) * 1992-04-28 1993-11-11 Pirtferm Limited Bioreactor system
WO1998050375A1 (de) * 1997-05-07 1998-11-12 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und reaktor zur herstellung von ethylenoxid
US6172244B1 (en) 1997-05-07 2001-01-09 Linde Aktiengesellschaft Method and reactor for producing ethylene oxide

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