DE3530332A1

DE3530332A1 - Puls-bioreaktor mit schwammelementen fuer die fixierung von mikroorganismen oder enzymen

Info

Publication number: DE3530332A1
Application number: DE19853530332
Authority: DE
Inventors: Heinz Prof. Dr.-Ing. 1000 Berlin Brauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1985-08-24
Filing date: 1985-08-24
Publication date: 1986-05-15

Description

Die Erfindung betrifft einen Bioreaktor mit sehr hoher mikro-
bieller oder enzymatischer Stoffumsetzung je Volumeneinheit.
Zu diesem Zweck ist der Bioreaktor mit einem porösen schwammartigen Material gefüllt, an dessen Oberfläche sich die Mikroorganismen oder Enzyme festsetzen können. Zur Sicherung einer gleichmäßigen Durchströmung und Durchmischung des Biofluids wird der Bioreaktor in bestimmten Zeitabständen gepulst, d.h.
dem Biofluid wird ein Druckstoß aufgezwungen.
Der gepulste Bioreaktor ist für alle biologischen Stoffwandlungsprozesse geeignet, bei denen Enzyme oder Mikroorganismen an der Oberfläche poröser Füllelemente fixiert werden. Bei der Verwendung von Mikroorganismen erweist sich deren Fixierung als vorteilhaft, wenn ihr Wachstum nur sehr langsam erfolgt. Aus diesem Grunde wurde der gepulste Bioreaktor insbesondere für die anaerobe Abwasserreinigung mit Biogaserzeugung in einer halbtechnischen Anlage erfolgreich eingesetzt.
Die bisher für die anaerobe Abwasserreinigung mit Erzeugung von Biogas verfügbaren Bioreaktoren lassen sich in zwei große Gruppen einteilen. Die erste Gruppe umfaßt die bislang fast ausschließlich verwendeten Bioreaktoren in Betonbauweise. Diese Bioreaktoren haben die Form eines senkrecht gestellten halbierten Rotationsellipsoids. Sie zeichnen sich dadurch aus, daß die in der Volumeneinheit des Bioreaktors gehaltene Bakterienmasse sehr klein ist. Die Folge ist eine nach Wochen und Monaten zu rechnende Verweilzeit des Abwassers irn Biore2ktor. Die je Einheit der Verweilzeit und des Bioreaktorvolumens erzeugte Menge an Biogas ist daher nur sehr gering. Die Entwicklung leistungsfähigerer Bioreaktoren zur Biogaserzeugung führte zu den in der zweiten Gruppe zusammengefaßten. Sie zeichnen sich durch eine verhältnismäßig hohe Konzentration an Bakterienmasse aus, wodurch die Verweilzeit des Abwassers bis auf zwölf oder noch weniger Stunden herabgesetzt wird.
Die hohe Konzentration wird dadurch erreicht, daß die Bakterien an der Oberfläche aufgewirbelter Feststoffpartikeln oder aber an der Oberfläche von im Bioreaktor fest angeordneten schwammförmigen Füllelementen fixiert werden. Bei den in derartigen Bioreaktoren erforderlichen hohen Wirbelschichten wird die Verteilung der die Biomasse tragenden Feststoffpartikeln mit zunehmender Höhe sowohl in axialer als auch in radialer Richtung immer ungleichförmiger. Das Bauvolumen des Wirbelschicht-Bioreaktors wird also nicht optimal ausgenutzt.
Sehr ähnliche Bedingungen ergeben sich auch für den Typ von Bioreaktor, der mit schwammförmigen, starren Füllelementen ausgestattet ist. Auf Grund der großen Zahl und der daher sehr kleinen offenen Poren werden die Schwammelemente sehr ungleichmäßig durchströmt. Bei Schwammelementen ergibt sich ferner noch der Nachteil, daß die entstehenden Blasen des Biogases an der Schwammoberfläche sehr gut haften. Eine Ablösung der Blasen erfolgt erst bei sehr großem Blasendurchmesser und führt dann zwangsläufig zu sehr großen Störungen in der Durchströmung und in der mikrobiellen Stoffumsetzung innerhalb der Schwammelemente.
Der neue Puls-Bioreaktor erhält die Vorteile, die die Verwendung von Schwammelementen bietet, und vermeidet die damit verbundenen Nachteile. Die Erfindung wird an Hand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Schemazeichnung von dem erfindungsgemäßen Puls-Bioreaktor zur Durchführung mikrobieller Stoffwandlungsprozesse, insbesondere auch der anaeroben Abwasserreinigung mit Biogaserzeugung und spezieller Verfahren der aeroben Abwasserreinigung, Figur 2 den zeitlichen Verlauf und die zeitliche Folge, der im Bioreaktor erzeugten Pulsationen, Figur 3 eine Schemazeichnung vom Einbau eines elastischen Schwammelementes im Puls-Bioreaktor, Figur 4 eine Schemazeichnung von der Kompression und dem entspannten Zustand eines elastischen Schwammelementes und Figur 5 eine Schemazeichnung vom Einbau eines starren, nichtelastischen Schwammelementes im Puls-Biorea#ktor.
Der erfindungsgemäße Puls-Bioreaktor nach Figur 1 besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Gefäß 1 mit einem oder mehreren übereinander angeordneten Schwammelementen. 2. Die Schwammelemente sind gemäß dem in Figur 1 dargestellten Beispiel über einen Auflagering 3 mit der Gefäßwand fest verbunden. In der Längsachse des Gefäßes 1 ist eine Hubstange 4 angeordnet, die durch einen geeigneten Antrieb 5, beispielsweise einen elektromagnetischen Linearantrieb, eine vorgeschriebene Hubbewegung ausführt. Diese Hubbewegung wird auf die elastischen Schwammelemente übertragen, da Hubstange 4 und Abdecksieb des Schwammelementes 2 über einen Übertragungsstern 6 fest verbunden sind.
Für das Beispiel der anaeroben Abwasserreinigung mit Erzeugung von Biogas wird das Rohwasser durch eine Pumpe am Boden des Gefäßes 1 tangential in den Verteilerraum 7 gedrückt, von wo das Abwasser senkrecht aufwärts strömt. Die an der Oberfläche der Schwammelemente 2 fixierten Bakterien nehmen die im Abwasser enthaltenen organischen Kohlenstoffverbindungen auf und wandeln diese über einen vielstufigen Prozeß in Biogas um, das in diesem Hochleistungsreaktor zu etwa 80 % aus Methan und zu etwa 20 % aus Kohlendioxid besteht. Das beim Reinigungsprozeß entstehende Klarwasser verläßt den Puls-Bioreaktor am oberen Ende. Das anfallende Biogas steigt durch die Schwammelemente 2 aufwärts. Wegen der geringen Oberflächenspannung zwischen Biogas und Klarwasser bildet sich ein Schaum, der sich im Kopf des Gefäßes 1, im sogenannten Schaumsammelraum 8, ansammelt. Das Biogas strömt mit dem Schaum in den mechanischen Schaumzerstörer 9, der vom Motor 10 angetrieben wird.
Das Biogas verläßt am oberen Ende, das anfallende Klarwasser am unteren Ende den Schaumzerstörer.
Bei sehr starker Gasproduktion kann das Biogas zwischen zwei Schwammelementen abgezogen und durch eine Steigleitung 11 und Ausgleichgefäß 12 in den Schaumsammelraum 8 geführt werden.
Eine Schemazeichnung vom Aufbau und von der Anordnung des elastischen Schwammelementes 2 im Gefäß 1 zeigt Figur 2. Das Schwammelement 2 besitzt eine Siebbodenplatte 13 und eine Siebdeckplatte 14. Beide Siebplatten bestehen aus versteiften Drahtsieben. Die Siebbodenplatte 13 ist über den Auflagering 3 mit der Wand des Reaktorgefäßes 1 fest verbunden. Die Siebdeckplatte 14 ist dagegen über den Übertragungsstern 6 mit der Hubstange 4 fest verbunden. Führt die Hubstange 4 ihre Hubbewegung aus, so wird gemäß Figur 3 das Schwammelement 2 kurzzeitig zusammengedrückt. Figur 3a zeigt das Schwammelement im entspannten, Figur 3b im zusammengedrückten Zustand. Die Verminderung der Höhe h des Schwammelementes 2 ist gleich der Hubhöhe s. Bei nicht zu hohen Schwammelementen soll das Verhältnis von Hubhöhe s zu Elementhöhe h etwa 1:4 sein.
Durch die periodisch wechselnde Komprimierung und Entspannung wird in dem Schwammelement kurzfristig eine Strömungsgeschwindigkeit erzeugt, die ein Vielfaches der stationären Durchlaufgeschwindigkeit beträgt. Bei Verweilzeiten von 12 bzw. 4 Stunden und einer Höhe des Puls-Bioreaktors von 1 m ist die Durchlaufgeschwindigkeit gleich 2,3t10 5 bzw.
6,9~10'5 m/s. Bei einer Pulsfrequenz von 1 Hz und einer Hubhöhe von 0,05 m ergibt sich die dadurch ausgelöste Puls--2 geschwindigkeit zu 5110 mls. Die Pulsgeschwindigkeit ist somit etwa 1000 mal größer als die Durchlaufgeschwindigkeit.
Es ist daher gerechtfertigt, zwischen zwei Pulsationen eine längere Ruhezeit einzuschalten. In Figur 4 sind die Pulsation und die Pulszeit # p sowie die Ruhezeit # r eingetragen. Das Verhältnis tr /t kann in der Größenordnung von 60 liegen.
p Die durch die Pulsation ausgelöste Strömung in den Poren der Schwammelemente hat folgende für den Prozeß wichtige Wirkungen: 1. Gleichmäßige Durchströmung der Schwammelemente; die gefürchtete Kanalbildung wird verhindert.
2. Gleichmäßige Verteilung der Mikroorganismen an der Porenoberfläche und ihre gleichmäßige Versorgung mit Substrat.
3. Gleichmäßige mikrobielle Stoffumsetzung im gesamten Volumen des Puls-Bioreaktors.
4. Ablösung der sich bildenden Biogasblasen bei sehr kleinem Basendurchmesser, so daß sie sich leicht durch die Poren hindurchbewegen können; Koaleszenz wird weitgehend vermieden und die Fluidströmung wenig gestört.
Die Strömung kann aber nicht nur durch Kompression elastischer Schwammelemente erzeugt werden, sondern auch durch die Hubbewegung des gesamten, inkompressiblen Elementes. Gemäß Figur 5 ist in diesem Fall das inkompressible Schwammelement unten und oben durch je eine Lochscheibe 15 abgedeckt. Beide Lochscheiben sind über die übertragungssterne 6 fest mit der Hubstange verbunden. Die freie Durchströmfläche der Lochscheiben beträgt etwa 60 bis 65 %, so daß der Druckverlust bei der Durchströmung sehr gering ist. Bei der Pulsation bilden sich in den Löchern der Platten Strahlströmungen aus, die tief in die Schwammelemente hineinreichen und weitgehend ähnliche Wirkungen hervorrufen, wie sie bei der Kompression der Schwammelemente festgestellt werden.
- L e e r s e i t e -

Claims

Puls-Bioreaktor mit Schwammelementen für die Fixierung von Mikroorganismen oder Enzymen" Patentansprüche 1. Puls-Bioreaktor für sehr hohe mikrobielle oder enzymatische Stoffumsetzungen je Einheit des Reaktorvolumens, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikroorganismen oder Enzyme an geeigneten Oberflächen fixiert und der stationären Strömung Pulsationen überlagert werden.
2. Puls-Bioreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fixierung der Mikroorganismen an der inneren Oberfläche von hochporösen kompressiblen oder nicht-kompressiblen Schwammelementen erfolgt.
3. Puls-Bioreaktor nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stationären Durchströmung der Schwammelemente wesentlich stärkere instationäre, vorwärts- und rückwärtsgerichtete Strömungen überlagert werden.
#. Puls-Bioreaktor nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die instationären Pulsationen in größeren, den Prozessen angepaßten Zeitabständen erfolgen.
5 Puls-Bioreaktor nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsfrequenz hoch, in der Größenordnung von 0,5 bis 2,0 Hz, und die Hubhöhe in der Größe von mindestens 50 mm liegt.
6. Hochporöse kompressible Schwammelemente, die zwischen zwei versteiften Siebplatten angeordnet und mit diesen fest verbunden sind.
7. Schwammelemente nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Siebplatte in geeigneter Form mit der Gefäßwand und daß die obere Siebplatte über einen Übertragungsstern mit der Hubstange verbunden ist.
8. Schwammelemente nach Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Bewegung der oberen Siebplatte in vorgeschriebener Weise zusammengedrückt und wieder expandiert werden, so daß sich innerhalb der Schwammelemente zeitlich begrenzte instationäre Strömungen ergeben.
9. Hochporöse nicht-kompressible Schwammelemente, die zwischen zwei versteiften Lochplatten angeordnet und mit diesen fest verbunden sind,
10. Schwammelemente nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß beide Lochplatten über einen Übertragungsstern allein mit der Hubstange fest verbunden sind.
11. Schwammelemente nach Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie bei periodischer Auf- und Abwärtsbewegung von instationären Strahlströmungen durchdrungen werden.