DE3726949A1

DE3726949A1 - Verfahren und anordnung zum betrieb von festbettreaktoren mit biomasse-bewachsenen schuettgut-traegern

Info

Publication number: DE3726949A1
Application number: DE19873726949
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl Biol Luther
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1987-08-13
Filing date: 1987-08-13
Publication date: 1989-02-23
Also published as: DE3726949C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb von Festbettreaktoren für biotechnologische Prozesse mit auf fließfähigen abgerundeten, insbesondere kugel förmigen Schüttgut-Trägern aufgewachsenen Mikroorganis men in einem vertikalen Behälter mit trichterförmigem Boden mit Feststoffauslaß sowie auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Kontinuierliche biotechnologische Prozesse werden häufig mit träger-fixierten Mikroorganismen durchge führt, die auf diese Weise im Bioreaktor zurückgehalten werden können, der von der zu behandelnden Flüssigkeit durchströmt wird.

Als Trägermaterial werden Kunststoffträger, Koks, Kies, Sinterglas usw. verwendet, die alle offene Poren systeme aufweisen. Die Trägeroberfläche sowie die Hohlräume werden von Mikroorganismen bewachsen.

In solchen Reaktoren kommt es je nach Reaktortyp über kurz oder lang zur Verstopfung des Systems, da der Biofilm und der Schleim der Bakterien die Hohlräume zwischen dem Trägermaterial ausfüllen. Dies führt letzlich zum Abbruch des biotechnologischen Prozesses.

Es wurde daher bereits ein (im wesentlichen horizontaler) Festbett-Drehrohrreaktor entwickelt (DE-Patentanmeldungen P 36 08 466.2 und P 36 32 093.5), bei dem durch Rotation des nur teilgefüllten gegen die Horizontale geneigten Reaktors kontinuierlich überschüssige Biomasse vom Träger abgerieben wird. Nachteil dieses Verfahrens ist, daß diese Biomasse vom gereinigten Ablauf mitgeführt wird und speziell für die Trinkwasseraufbereitung nachfolgend vom Wasser abgetrennt werden muß.

Ziel der Erfindung ist daher ein Verfahren zum Betrieb von Festbettreaktoren, bei dem eine Verstopfung des Reaktors durch Biomasse vermieden wird, ohne daß die gesamte Anordnung in Rotation versetzt und der gesamte Ablauf filtriert werden muß.

Dieses Ziel wird durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, daß konti nuierlich oder schubweise biomasse-bewachsener Träger körper unter Begrenzung des Druckabfalls über der Trägerkörpersäule aus dem Behälter entnommen, von überschüssiger Biomasse befreit und in den Behälter rezykliert wird.

Dabei werden insbesondere entweder kontinuierlich etwa 1 bis 2% der biomasse-bewachsenen Trägerkörper füllung in den Reinigungskreislauf geführt oder aber schubweise bis zu 10% derselben in den Reinigungskreis lauf gegeben, wenn das Volumen der biomasse-bewachsenen Trägerkörperfüllung durch überschüssige Biomasse auf das 1,5- bis 1,75-fache angewachsen ist.

Die überschüssige Biomasse wird insbesondere durch Strahlverwirbelung und/oder Abbürsten vom biomasse-bewachsenen Träger abgetrennt.

Besonderheiten der Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gehen aus den Patentansprüchen hervor sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungs varianten unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 einen Festbettreaktor mit Reinigungskreis;

Fig. 2-4 Varianten der Biomasseabtrennung und

Fig. 5 ein Tastorgan für eine automatische Regelung der Speisung des Reinigungs kreises.

Gemäß Fig. 1 wird der Festbettreaktor 1 von unten nach oben durchströmt (2→3). Das Trägermaterial 4 (insbesondere Kugeln) soll als Partikel mindestens 100 mal kleiner sein als der Durchmesser des Reaktors. Das Festbett ruht auf einem Trichter 5 mit durchlässigen Wänden, deren Durchlässe kleiner sind als der Durchmesser des Trägermaterials. An der Spitze des Trichters be findet sich ein Fallrohr mit Schieber 6, durch das Trägerkugeln abgeführt und der Biomassenabtrennung zugeführt werden können. Diese erfolgt im Reinigungs kreis 7, der eine Biomasseablösung 8 und -abtrennung 9 umfaßt.

10 bezeichnet den Gasauslaß mit Gasmengenmessung und 11 markiert den Einsatz eines Füllmeßstabes (siehe Fig. 5).

Die Biomasseablösung kann je nach Stärke des Anhaftens des Biomassefilms an der Oberfläche der Trägerkugeln auf unterschiedliche Weise erfolgen.

a) Leicht ablösbare Biomasse:
Gemäß Fig. 2 werden die Trägerkugeln über einen Einlaß 12 in eine Kammer 13 gefördert, in der sich ein Rührwerk 14 befindet, das sich mit ausreichend hoher Drehzahl dreht. Durch die in der Kammer auf tretenden hohen Scherkräfte wird dann die Biomasse von der Oberfläche der Trägerkugeln gelöst und gelangt über 15 als Suspension in die Biomasseabtren nung 9.
b) Schwer ablösbare Biomesse:
Gemäß Fig. 3 wird das Trägermaterial durch eine Transportschnecke 16 gefördert, deren Gänge 17 nur geringfügig größer sind als der Querschnitt des Trägermaterials 4. Damit wird erreicht, daß die Trägerkugeln diese Reinigungsstrecke einzeln passieren müssen. Das die Schnecke umgebende Gehäuse 18 ist innen mit Bürsten 19 aus Kunststoff, Stahl draht o. ä. versehen, mit deren Hilfe die Biomasse vom Träger abgelöst wird.

Der Vorteil dieser beiden Arten der Biomasseabtrennung besteht darin, daß mit wenig Energieaufwand nur der überschüssige, an der Oberfläche haftende Biomassefilm vom Träger entfernt wird und nicht die in den Hohlräumen befindlichen Mikroorganismen, die nicht zum Verstopfen des Reaktors führen.

Von der Biomasseablösung 8 gelangt die Mischung zum Separator 9, für den in Fig. 4 ein Beispiel näher ausgeführt ist:
Das Zulaufrohr 20 zum Separator 9 ist in halber Höhe des Gefäßes 21 angebracht und ragt je nach Auslegung des Gefäßes bis zu 50 cm in das Gefäß hinein. Direkt unterhalb dieses Rohres 20 ist eine Düse 22 installiert, durch die ein kleiner Teilstrom des Reaktorauslaufes unter Druck gepumpt wird. Kommt nun die Suspension durch das Zulaufrohr 20 in das Gefäß 21, so wird sie mit der durch die Düse 22 kommenden Flüssigkeit verwirbelt und nach oben gedrückt. Aufgrund des höheren spezifischen Gewichtes der Trägerkugeln 4 sinken diese schneller zu Boden als die in der Suspension enthaltene Biomasse.

Die Trägerkugeln 4 sinken auf einen trichterförmigen Boden 23 an dessen Spitze sich ein Fallrohr 24 befindet, durch das die gereinigten Kugeln aus dem Gefäß abgezogen werden. Die Biomasse, die im Überstand verbleibt, wird durch ein Abzugsrohr 25 abgezogen und durch Sedi mentation und/oder Filtration weiter konzentriert, so daß sie z. B. einer Deponie oder als Inocrulum einem neuen Prozess zugeführt werden kann.

Das gereinigte Trägermaterial kann nun wieder dem Reaktor zugeführt werden. Sollte das Trägermaterial durch den Prozess mit anderen Ablagerungen derart verstopfen, daß es für den Prozess unbrauchbar geworden ist, so kann es aus dem System entfernt werden und durch neue Trägerkugeln aus einem Vorratsbehälter ersetzt werden.

Das Biomasseabtrennsystem ist vorzugsweise so ausgelegt, daß sich in diesem nicht mehr als etwa 1 bis 2% des gesamten Trägermaterials des Reaktors befinden.

Ganz allgemein wird die Biomasseabtrennung durch zwei Parameter bestimmt, und zwar:

1. die Gasflußrate
Da der Gasfluß bei gasproduzierenden biotechnolo gischen (anaeroben) Prozessen als Maß für die bio katalytische Aktivität gilt, soll dieser immer im optimalen Bereich gehalten werden; und
2. die Ausdehnung des Füllmaterials im Reaktor
Die auf dem Trägermaterial immobilisierten Bakterien bilden mit der Zeit einen Biofilm, der sich stetig weiter ausdehnt. Dieses bedeutet, daß der gesamte Füllkörper mit der Zeit an Volumen gewinnt und letztendlich den gesamten Reaktorraum ausfüllt. Danach verstopft das System, was zum Abbruch des Prozesses führt.
Die Regelung sieht nun vor, daß dieser Ausdehnung eine räumliche Grenze gesetzt wird, an der ein Teil des Füllmaterials aus dem Reaktor entfernt wird. Diese Grenze wird bestimmt durch die maximale Gasrate, die sich erst bei der Ausdehnung des Füll materials um das 0,5 bis 0,75 fache einstellt.
Die Messung der Füllhöhe erfolgt durch Einsetzen eines Füllkörpermeßstabes (siehe Fig. 5). Dieser Stab 26 steht senkrecht im Reaktor 1. An seinem unteren Ende ist eine Platte 27 befestigt, die auf dem Füllmaterial 4 lose aufliegt. Der obere Teil des Stabes sitzt in einem Führungsrohr 28, in dem sich ein Kontaktgeber 29 befindet. Dehnt sich nun das Füllmaterial 4 aufgrund des Wachstums der Bakterien aus, so wird der Meßstab 26 ebenso angehoben. Erreicht dieser den Kontaktgeber 29, wird ein Signal ausgelöst, durch welches der sich am Reaktorboden befindliche Schieber 6 geöffnet wird. Dann wird bis zu 10% des Füllmaterials aus dem Reaktor entfernt und dem Biomasseabtrennsystem 8, 9 zugeführt. Da das von Biomasse gereinigte Trägermaterial 4 eine geringere Ausdehnung hat als das mit Biofilm bewachsene, verringert sich das Volumen des Füllmaterials nach dessen Wiederein gabe und der Meßstab 26 fällt auf ein niedrigeres Niveau zurück und der Kontakt wird wieder unter brochen. 30 bezeichnet eine Stoppeinrichtung, welche die Abwärtsbewegung des Stabes 26 begrenzt.
Neben der Verhinderung der Verstopfung des Systems kann erfindungsgemäß auch der Reaktor kleiner konzipiert werden, da die Ausdehnung des Füll materials begrenzt ist.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb von Festbettreaktoren für biotech nologische Prozesse mit auf fließfähigen abgerundeten, insbesondere kugelförmigen Schüttgut-Trägern aufge wachsenen Mikroorganismen in einem vertikalen Behälter mit trichterförmigem Boden mit Feststoffauslaß, dadurch gekennzeichnet, daß kontinuierlich oder schubweise biomasse-bewachsener Trägerkörper unter Begrenzung des Druckabfalls über der Trägerkörpersäule aus dem Behälter entnommen, von überschüssiger Biomasse befreit und in den Behälter rezykliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kontinuierlich etwa 1 bis 2% der biomasse-be wachsenen Trägerkörperfüllung in den Reinigungskreis lauf gegeben werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß schubweise bis zu 10% der biomasse-bewachsenen Trägerkörperfüllung in den Reinigungskreislauf gegeben werden, wenn das Volumen der biomasse-bewachsenen Trägerkörperfüllung durch überschüssige Biomasse auf das 1,5- bis 1,75-fache angewachsen ist.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die überschüssige Biomasse durch Strahlverwirbelung und/oder Abbürsten vom biomasse-bewachsenen Träger abgetrennt wird.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem vertikalen Fest bettreaktor mit trichterförmigem Boden mit Feststoff auslaß, gekennzeichnet durch eine vom Bodenauslaß zum oberen Ende des Behälters führende Feststofftransportleitung mit einer Wasch kammer mit mechanischer und/oder Strahlverwirbelung der Trägerkörper zur Abscherung überschüssiger Biomasse und/oder einer Förderschnecke in einem Bürstenrohr, deren Gänge insbesondere der Einzelförderung der Träger körper angemessen sind, mit insbesondere jeweils einbe zogener oder nachfolgender Trägerkörper/Bioschlamm- Trennung.

6. Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Festkörperauslaß-Steuerung mittels eines Füll höhemeßstabes mit Kontaktgeber.