DE3608466A1 - Verfahren und vorrichtung zur durchfuehrung gasbildender biotechnologischer prozesse in festbettreaktoren - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur durchfuehrung gasbildender biotechnologischer prozesse in festbettreaktorenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Durchführung von unter Gasbildung ablaufenden
biotechnologischen Prozessen in Reaktoren mit
von Mikroorganismen bewachsenen Trägerkörpern,
sowie auf Vorrichtungen zur Durchführung des
Verfahrens.
Zahlreiche biotechnologische Prozesse laufen
unter Freisetzung von Gas ab. So entsteht bei
anaeroben Abbauprozessen Biogas (CH4) und bei
aeroben Gärprozessen CO2. Ein weiteres Beispiel
für unter Gasentwicklung ablaufenden Bioreaktionen
ist die bakterielle Denitrifikation, bei der
Nitrat in Anwesenheit geeigneter Bakterien
sowie organischer Substanzen als indirekte
Reduktionsmittel unter sauerstoffarmen oder
-freien Reaktionsbedingungen abgebaut wird.
Für die Durchführung dieser Umsetzungen werden
vielfach säulenförmige Festbettreaktoren ange
wandt, mit bakterienbewachsenen Trägerkörpern,
an denen die bakterielle Umsetzung erfolgt.
Beim Betrieb dieser Reaktoren treten nun ins
besondere bei zunehmender Reaktorgröße Probleme
durch die mit der Bioreaktion einhergehende
Gasentwicklung auf: Das entstehende Gas wird
von den bewachsenen Körpern nur verzögert abgelöst
und kann mit dem Fortgang der Reaktion zur
teilweisen Blockade der mit Bakterien besetz
ten aktiven Oberfläche führen und zur Erhöhung
des Filtrationswiderstandes, d. h. der Durchsatz
ist weder optimal, noch erfolgt er mit konstanter
Rate.
Näher untersucht wurden diese Phänomene bei
der Denitrifikation in Festbettreaktoren, bei
denen das organische Substrat entweder dem
zufließenden nitrathaltigen Wasser zudosiert
oder aus Kunstoff-Füllkörpern durch Diffusion
zur Verfügung gestellt wurde. Bei der bakteriel
len Umsetzung werden N2 und/oder N2O entwickelt,
deren Ablösung aus der bakterienbesetzten Füllkör
perschicht Probleme bereitet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
ein Verfahren zur Intensivierung der Gasablösung
und damit Verbesserung der bakteriellen Umsetzung
vorzusehen.
Das zu diesem Zweck entwickelte erfindungsgemäße
Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß der
Zusammenschluß und die Ablösung der gebildeten
Gase vom Festkörper durch mechanische Einwirkung
auf das System begünstigt wird.
Als mechanische Einwirkung eignen sich ins
besondere kontinuierliche oder intermittierende
Vibrationen, insbesondere bei Reaktoren mit
einer Serie von übereinander angeordneten Schwing
tellern als Unterlage für die bakterienbewachse
nen Füllkörper.
Als besonders einfach und wirkungsvoll erweist
sich jedoch der Einsatz eines allgemein hori
zontalen Schüttkörperbettes mit um zumindest
3°, insb. etwa 15°, gegen die Horizontale geneigter
Längsachse in einem zylindrischen Behälter
mit Durchbrüchen für die Gasabgabe im oberen
Bereich, der nicht vollständig mit Schüttkörpern
gefüllt ist, sondern einen gewissen Freiraum
insbesondere von 10-35%, insb. 20-25%
aufweist und um seine Längsachse in Drehbewegung
versetzt wird.
Vorzugsweise hat der das Schüttkörperbett aufnehmen
de Drehzylinder als Gasabgabeöffnungen einen
Kranz von Schlitzen, insbesondere längs von
Mantellinien. Die Schlitzlänge reicht vorzugs
weise über etwa 5-10% der Bettlänge.
Dieses geneigte füllkörperhaltige Drehrohr
mit Gasabgabeöffnungen ist insbesondere in
einem etwas größeren feststehenden Zylindermantel
stirnseitig gelagert, der einen Gasabgabestutzen
am oberen Ende aufweist sowie an der gleichen
Stirnseite einen darunterliegenden Flüssigkeits
auslaß. Auf diese Weise "schwimmt" das den
Schüttkörper aufweisende Drehrohr in einem
Flüssigkeitsmantel, wodurch der Energieaufwand
für die Rotation vermindert wird.
Die Rotation kann kontinuierlich erfolgen oder
intermittierend mit angemessen Pausen. Zweckmäßig
sind Taktzeiten von 10-25 min und Drehge
schwindigkeiten von 1-10 UpM.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß
die Gasabsonderung aus einem solchen rotierenden
geneigten Schüttkörperbett mit Freiraum außer
ordentlich begünstigt ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Aus
führungsbeispielen unter Bezugnahme auf die
angefügten Zeichnungen erläutert; es zeigt
schematisch
Fig. 1 einen geneigten Drehrohr-Reaktor
und
Fig. 2 einen Schwingtellerreaktor.
Fig. 1 zeigt einen geneigten Drehrohr-Reaktor
(1) mit einem vorgeschalteten senkrechten Säulen-
Reaktor (2), in den bei (3) kontinuierlich
nitrathaltiges Wasser mittels einer Förderpumpe
(4) über ein Regelventil (5) zur genauen Do
sierung der Wasserdurchflußmenge eingeleitet
wird. Der Säulenreaktor (2) enthält zwischen
Siebplatten (6) als Füllkörper (7) z. B. ein
inertes Kunstoffgranulat (z. B. Nitrex®-Filter
masse), das durch seine poröse Oberflächen
struktur günstige Besiedlungszonen für die
Denitrifikationsbakterien bietet. Im Säulen
reaktor (2) wird die erste Abbaustufe einge
leitet, bei der das Nitrat bakteriell weitgehend
zu Nitrit reduziert wird.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers wird
so geregelt, daß im Ablauf (8) des Säulenreaktors
(2) ein hoher Nitritgehalt meßbar und im oberen
Drittel des Reaktors keine Gasblasenbildung
zu beobachten ist.
Über das Verbindungsrohr (9) wird das Wasser
weiter zum Drehrohrreaktor (1) geleitet. Durch
eine Hohlachse (10) mit Drehverbindung und
Lagerung gelangt das Wasser in das drehbare
Reaktor-Innenrohr (11), das zu etwa ¾ mit
einem geeigneten mit Denitrifikationsbakterien
bewachsenen Granulat (12) gefüllt ist. Hier
erfolgt anaerob der zweite Denitrifikations
schritt, wobei es zur Bildung von Stickstoffgas
(N2) und/oder von Lachgas (N2O) kommt. Als
Endstufe der Denitrifikation (Nitrat-Nitrit-
Atmung) wird also hauptsächlich Stickstoff
gasförmig entbunden und entweicht aus den im
oberen Bereich des Innenrohres (11) angebrachten
Entgasungsschlitzen (13) in die ohnehin zu
etwa 80 Vol-% Stickstoff enthaltende Luft.
Um das die Bakterienaktivität hemmende Anhaften
von Gasblasen an der Oberfläche des Füllkörpers
(12) zu vermeiden, wird der Drehrohrreaktor
(11) alle 15 Minuten über den Motor (14) 3 Minuten
lang mit 3 UpM gedreht. Dieser Vorgang wird
gleichzeitig durch die schräge Lagerung des
Reaktors in einem Winkel von 15° begünstigt.
Über die Gasableitung (15) kann das Stickstoffgas
endgültig die Apparatur verlassen. Das nitratarme
Wasser kann dann über den Wasserauslauf (16)
im Mantel (17) ebenfalls der Apparatur entzogen
werden.
Beim Betrieb des Drehrohrreaktors ermöglicht
die kontinuierliche Gasableitung aus den Poren
räumen des Festbetts bzw. aus der Apparatur
über die Entgasungsschlitze ein ungestörtes
Bakterienwachstum an der Matrixoberfläche.
Ferner wird der ungestörte Wasserdurchfluß
an den Oberflächen der Füllkörper, wo haupt
sächlich die Abbauaktivität der Denitrifika
tionsbakterien stattfindet, gewährleistet.
Die Bildung von Durchlaufrinnen innerhalb des
Drehrohrreaktors, die den Kontakt zwischen
Wasser und der Bakterien an der Matrix-Oberfläche
behindern würden, findet hier nicht statt.
Die weitgehende räumliche Trennung des Nitrat
abbaus in zwei Stufen mit Optimierung der Verweil
zeiten in den Reaktoren (1) und (2), so daß
im Säulenreaktor (2) bevorzugt lediglich der
Nitratabbau zu Nitrit erfolgt (ohne Blasen
bildung), während im Drehrohrreaktor (1) dann
der Abbau des Nitrit bis zu Stickstoffstufe
bzw. zu N2O stattfindet, ist technologisch
besonders zweckmäßig.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Schwingteller-Säulen
reaktor wird das nitrathaltige Wasser mittels
einer Förderpumpe oder aufgrund einer hydro
statischen Druckdifferenz ventilgeregelt über
den Einlauf (18) in den Reaktorraum gefördert.
Der Reaktor ist bestückt mit acht übereinander
stehenden Reaktorkammern (19), die als Festbett
fungieren und über Hohlbuchsen (20) an der
Mittelachse (21) gelagert sind. Die Mittelachse
ihrerseits wird in einem Lagerblock (22) geführt.
Eine Magnetspule (23) und eine Druckfeder (24)
sorgen dafür, daß die Reaktorkammern über die
Mittelachse vertikal in Schwingungen versetzt
werden können.
Beim Betrieb des Reaktors sind die Kammern
mit einem geeigneten Füllkörper (25) beschickt,
der aufgrund seiner Oberflächenstruktur eine
optimale Besiedlungszone für die Denitrifikations
bakterien bietet. Am Kammerboden, und zwar in
Abschnitt (26) sind vom Mittelpunkt nach außen
hin radial verlaufende Öffnungen angebracht,
die den ungehinderten Zustrom des zu denitri
fizierenden Wassers in die Reaktorkammer er
möglichen.
Die im Verlauf des Denitrifikationsprozesses
an der aktiven Kontaktfläche Füllkörper/Bakterien
gebildeten Gasblasen können über den Gasaustritt
(27) entlang der Gasableitungsführung (28)
aus den Reaktionsräumen entweichen. Um ein
eventuelles Anhaften der Gasblasen an den Füll
körpern zu vermeiden, werden die Reaktorkammern
über die Mittelachse in Schwingungen versetzt,
wodurch die Gasblasen entlang den schrägstehen
den Kammerdeckeln (29) problemlos abgeleitet
werden. Die auf diese Weise aus den einzelnen
Kammerräumen aufsteigenden Gasblasen können
dann über die Öffnung (30) den Reaktorraum
verlassen. Das aufbereitete Wasser wird über
den Auslauf (31) abgezogen.
Die bakterielle Denitrifikation im rotierenden
geneigten bakterienbewachsenen Schüttkörper
bett ist auch für die Regeneration von Wasser,
insb. Meerwasser aus Aquarien oder aus Intensiv
haltung von Wassertieren geeignet.
Claims (13)
1. Verfahren zur Durchführung von unter Gasbildung
ablaufenden biotechnologischen Prozessen in
Reaktoren mit von Mikroorganismen bewachsenen
Trägerkörpern,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Zusammenschluß und die Ablösung der
gebildeten Gase vom Festkörper durch mechanische
Einwirkungen auf das System begünstigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mechanischen Einwirkungen durch konti
nuierliche oder intermittierende Vibration
erreicht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mechanischen Einwirkungen bei einem
allgemein horizontalen Schüttkörperbett durch
eine Neigung der Längsachse gegen die Horizontale
um zumindest 3° und Drehbewegung des Bettes
mit darüber befindlichem Freiraum und diese
Achse herbeigeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß es bei der bakteriellen Denitrifikation
angewandt wird, insb. als 2. (Nitrit-Abbbau) Stufe
mit einer vorgeschalteten Nitrat → Nitrit-Abbaustufe.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
nach einem der Ansprüche 1 bis 4, in einem
Festbett-Rohrreaktor,
gekennzeichnet durch
eine Neigung der Achse des Rohrreaktors (1)
gegen die Horizontale von zumindest 3°, insb.
von etwa 15°, und Lagerung (10) und Antriebs
mittel (14) für die kontinuierliche oder inter
mittierende Rotation des Reaktors um diese
Achse.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Schüttkörperbett (11, 12) in einem
Reaktormantel (17) mit Gas- und Flüssigkeits
auslässen (15, 16) "schwimmend" drehbar gelagert
und mit Gasabgabeöffnungen (13) am "angehobenen
Ende" versehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Gasabgabeöffnungen durch einen Kranz
von Schlitzen (13) längs von Mantellinien gebildet
wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schlitze (13) eine Länge von 5-10%
der Bettlänge haben.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Schüttkörperbett (11) ein Freiraum von
10-35%, insb. 20-25% über dem Schüttkörper
(12) vorhanden ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Antriebsmittel (14) für eine taktweise
intermittierende Rotation, insb. mit einer
Taktzeit von 10-25 min geeignet sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Drehgeschwindigkeit bei 1-10 UpM
einstellbar ist.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
gekennzeichnet durch
die Anordnung der von Mikroorganismen bewachsenen
Trägerkörper (25) als Schüttkörper auf übereinander
angeordneten Schwingtellern (26) eines Säulen
reaktors, die zu kontinuierlichen oder inter
mittierenden Hubbewegungen anregbar sind.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hubbewegungen durch Vibrationen mit
einer Amplitude von 5-15 mm, insb. 8-10 mm
gebildet werden.
Priority Applications (7)
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE3608466A1 true DE3608466A1 (de) | 1987-09-17 |
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Family Applications (1)
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DE19863608466 Withdrawn DE3608466A1 (de) | 1986-03-14 | 1986-03-14 | Verfahren und vorrichtung zur durchfuehrung gasbildender biotechnologischer prozesse in festbettreaktoren |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS62244384A (de) |
DE (1) | DE3608466A1 (de) |
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1986
- 1986-03-14 DE DE19863608466 patent/DE3608466A1/de not_active Withdrawn
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1987
- 1987-03-13 JP JP5700687A patent/JPS62244384A/ja active Pending
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US8877490B2 (en) | 2007-05-23 | 2014-11-04 | Wilhelm Gantefort | Fermenter for generating biogas from pumpable organic material |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS62244384A (ja) | 1987-10-24 |
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