DE3833003A1 - Vorrichtung zum begasen von fluessigkeiten in grossen behaeltern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Begasen von Flüssigkeiten in großen Behältern zur Durchführung mikrobiologischer Prozesse mit im Bereich des Behälterbodens angeordneter Verteilerrohre, die mit einer Gaszuführleitung in Verbindung stehen und die Verteilerrohre eine Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen aufweisen.

Vorrichtungen dieser Art sind, insbesondere zum Ein­ bringen von Sauerstoff in Flüssigkeiten, an sich bekannt. Das Problem hierbei besteht darin, auf zuver­ lässige und wirtschaftliche Weise große Volumen Sauer­ stoff in die Flüssigkeit zu übertragen.

Es ist bekannt, daß bei der Herstellung von Hefe große Volumen Luft in eine Flüssigkeit eingeleitet werden, um die wachsenden Hefezellen mit gelöstem Sauerstoff zu versorgen. Der spezifische Luftverbrauch, d.h. die Luftmenge, die für das Wachstum einer gewissen Hefe­ menge notwendig ist, stellt dabei einen wichtigen Kostenfaktor dar.

Die Wirkungsweise von Begasungsvorrichtungen beruht im allgemeinen darauf, daß kleine Gasströme eingeleitet werden und in der Flüssigkeit Turbulenz erzeugt wird. Die Wirksamkeit der Vorrichtungen ergibt sich in erster Linie daraus, wie fein das Gas durch die Gasaustritts­ öffnung verteilt wird und wie effektiv die Turbulenz ist. Die Turbulenz ist schwierig zu definieren, jedoch ist bekannt, daß hohe Geschwindigkeiten und eine plötzliche Änderung der Strömungsrichtung des Mediums bei der Erzeugung von Turbulenz von Vorteil sind. Mit Begasungsvorrichtungen wird Turbulenz am besten direkt an den Gasaustrittsöffnungen erzeugt.

Wie fein das Gas in die Flüssigkeit verteilt wird, hängt von der Größe, Anzahl und räumlichen Anordnung der Gasaustrittsöffnungen ab, doch auch sehr stark vom Vorhandensein eines genügend großen Flüssigkeits­ volumens.

Bezüglich Größe, Anzahl und Anordnung der Gasaustritts­ öffnungen ist es von Vorteil, wenn viele kleine Öff­ nungen gleichmäßig über den gesamten Behälterboden verteilt Anwendung finden.

Das Vorhandensein eines genügend großen Flüssigkeits­ volumens ist eine Forderung, die davon ausgeht, daß ein gegebenes Flüssigkeitsvolumen nur ein gewisses Volumen Gas in Form von kleinen Blasen aufnehmen kann.

Damit ein bestimmtes Flüssigkeitsvolumen immer zur Verfügung steht, muß unter den gegebenen Verhältnissen ein bestimmtes Volumen Gas-Flüssigkeitsgemisch fort­ dauernd entgast werden.

Da es auch wichtig ist, die Flüssigkeit nur kurze Zeit in entgastem Zustand zu halten, wird die Entgasung möglichst nahe an den Gasaustrittsöffnungen vorge­ nommen.

Damit die bekannten Begasungsvorrichtungen besser zu beurteilen sind, werden die Vorrichtungen in zwei Gruppen unterteilt, nämlich in Vorrichtungen, die mechanische Energie nur für die Kompression des zuge­ führten Gases benötigen, sowie alle anderen Vorrich­ tungen.

Die zweite Gruppe der Vorrichtungen sind üblicherweise mit rotierenden Verteilerelementen, wie Turbinenrädern, ausgestattet.

Die Vorrichtungen sind in der Herstellung relativ teuer sowie aufwendig in der Wartung, wobei ihre Wirksamkeit vom zusätzlichen Energieaufwand abhängig ist.

Bedingt durch die Konstruktion, wie sie auch der DE-AS 19 05 998 zu entnehmen ist, wird die in Verbindung zu bringende Gasmenge relativ klein im Verhältnis zum Flüssigkeitsvolumen sein und die Wirksamkeit ist drastisch reduziert, sobald die kritische Begasungsrate überschritten wird.

Die kritische Begasungsrate ist gleichbedeutend mit dem Gasvolumen das in der Flüssigkeit in Form von kleinen Blasen gerade noch aufgenommen werden kann. Beim Überschreiten der kritischen Begasungsrate wird zuviel Gas zugeführt, so daß viel größere Blasen oder Gas­ schläuche gebildet werden.

Dieser Effekt ist bei Vorrichtungen dieser zweiten Gruppe besonders ausgeprägt, da die Vorrichtungen in der Regel eine kleine Anzahl räumlich konzentriert angeordnete große Gasaustrittsöffnungen haben.

Der wesentliche Mangel bei Vorrichtungen der erstge­ nannten Gruppe ergibt sich daraus, daß die Bildung von Blasen direkt an den Gasaustrittsöffnungen sehr stark von der natürlichen Auftriebskraft des Gases abhängig ist.

Einige der Vorrichtungen haben eine große Anzahl kleiner Gasaustrittsöffnungen relativ gleichmäßig über den gesamten Behälterboden verteilt. Bezüglich der Bildung von Blasen wird jedoch akzeptiert, daß große Blasen direkt an den Gasaustrittsöffnungen gebildet werden. Wie wichtig aber das an den Gasaustrittsöff­ nungen zur Verfügung stehende Flüssigkeitsvolumen bei der Verteilung eines bestimmten Gasvolumens ist, zeigt sich, wenn man die Wirkungsweise der statischen Strahl­ rohrbelüftungsvorrichtung untersucht. Diese Vorrichtung findet seit vielen Jahren in großen Behältern Anwendung und ist wohl noch immer die ver­ breitetste Belüftungsvorrichtung in der Backhefe­ industrie.

Stahlrohrbelüftungsvorrichtungen arbeiten oft mit einer Belüftungsrate von 2 VVM, d.h. in einem Behälter von 5 m Durchmesser und 5 m Füllhöhe werden pro Minute 200 000 Liter Luft in ein Flüssigkeitsvolumen von 100 000 Liter eingeblasen. Durch die zugeführte Luft wird der Flüssigkeitsspiegel im Behälter ungefähr 1 m gehoben. Die Verweilzeit der Luft in der Flüssigkeit ist dementsprechend 6 Sekunden und die durchschnittliche Blasenauftriebsgeschwindigkeit ist 1 m/sec. Mit Luftgeschwindigkeiten in den Löchern von 25-35 m/sec und durchschnittlichen Blasenauftriebsgeschwin­ digkeiten von 1 m/sec ist es unter den gegebenen Verhältnissen nicht möglich, daß kleine Blasen direkt an den Löchern gebildet werden. Zwangsläufig bilden sich große Blasen oder Luftschläuche, die anschließend und weiter entfernt von den Löchern durch Turbulenz in kleine Blasen zerteilt werden. Die Bereitstellung eines gewissen Flüssigkeitsvolumens setzt eine zweckent­ sprechende Entgasung voraus.

Eine Untersuchung der bekannten Begasungsvorrichtungen ergibt, daß im überwiegenden Teil, einschließlich bei Strahlrohrbelüftungsvorrichtungen, ein kontrolliertes Entgasen überhaupt nicht in Betracht gezogen wird.

Es ist bekannt, daß Vorrichtungen vom Mammutpumpenprin­ zip Gebrauch machen und Entgasungszonen haben, die für die Wirkungsweise der Vorrichtung absolut notwendig sind. Die Vorrichtungen sind gewöhnlich mit einer kleinen Anzahl großer Gasaustrittsöffnungen ausge­ stattet und die Entgasung findet in großen Zonen statt.

Bedingt durch die Konstruktion ist es daher nicht möglich, daß große Volumen Gas und Flüssigkeit in feinverteilter Form an den Gasaustrittsöffnungen in Kontakt gebracht werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, die auf einfache und wirt­ schaftliche Weise ohne zusätzliche mechanische Energie eine Verteilung großer Gasvolumen in Flüssigkeit ermöglicht und unter Anwendung des Mammutpumpenprinzips eine starke Flüssigkeitsströmung mit starker Turbulenz gewährleistet sowie etwa gleichgroße Volumen Gas und Flüssigkeit in feinverteilter Form in Kontakt bringt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die Verteilerrohre mit ihren Gasaustritts­ öffnungen unterhalb zugeordneter vertikal verlaufender kanalartiger Leitkammern angeordnet sind, wobei zwischen Verteilerrohr und Eintrittsöffnung der Leit­ kammer seitliche Zuführspalte gebildet sind und die Gasaustrittsöffnungen der Verteilerrohre im Bereich unterhalb der Öffnung der Leitkammer angeordnet sind und daß die Austrittsöffnung der Leitkammer eine Ab­ deckung unter Bildung von seitlichen Austritten auf­ weist.

Hierdurch wird in den Leitkammern ein Gas-Flüssigkeits- Gemisch mit geringer Dichte erzeugt, während die außerhalb der Leitkammern liegenden Räume als Ent­ gasungszonen funktionieren. Ferner wird erreicht, daß das erzeugte Gas-Flüssigkeits-Gemisch mit hoher Ge­ schwindigkeit auf die Abdeckplatten stößt, bevor es die Leitkammer verläßt und durch die Änderung der Strö­ mungsrichtung in unmittelbarer Nähe der Abdeckplatten eine starke Turbulenz erzeugt.

Zur Verbesserung einer Feinverteilung der Gase ist vorgesehen, daß die Verteilerrohre im Bereich oberhalb der Gasaustrittsöffnungen im Abstand angeordnete Prallbleche mit gegenüber der Gasaustrittsöffnungen versetzt angeordneten Durchtrittsöffnungen aufweisen und die Durchtrittsöffnungen der Prallbleche wenigstens doppelt so groß wie die Gasaustrittsöffnungen in den Verteilerrohren bemessen sind. Hierdurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des zugeführten Gases wesent­ lich reduziert und das Gas wird in besonders fein verteilter Form in die an den Löchern vorbeiströmende Flüssigkeit eingeleitet.

Weitere günstige Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Ansprüche 3 bis 8 gekennzeich­ net.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Behälterboden,

Fig. 2 einen Ausschnitt eines Behälters,

Fig. 3 ein Verteilerrohr mit Prallblech und

Fig. 4 einen Ausschnitt der zugeordneten Gasaus­ trittsöffnungen im Verteilerrohr und Prallblech.

Die dargestellte Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Hauptverteilerrohr 1 mit einem Durchmesser von 200-500 mm, das im Bereich eines Behälterbodens 2 angeordnet ist und von dem kleinere gelochte Verteiler­ rohre 3 von 30-100 mm im Durchmesser abzweigen.

Den gelochten Verteilerrohren 3 sind Prallbleche 4 zugeordnet, wobei ein Zwischenraum 5 von wenigen Millimetern zwischen Verteilerrohr 3 und Prallblech 4 gebildet ist. Die Prallbleche 4 sind mit der gleichen Anzahl Löcher 6 versehen wie die Verteilerrohre 3 mit den Löchern 7. Hierbei sind die Löcher 6 aber wesent­ lich größer als die Löcher 7 bemessen und so angeord­ net, daß die Löcher 6 der Prallbleche 4 zwischen den Löchern 7 der Verteilerrohre 3 zu liegen kommen.

Die Verteilerrohre 3 sind unterhalb zugeordneter, vertikal verlaufender, kanalartiger Leiterkammern 8 angeordnet. Die Leitkammern 8 sind rechtwinklig ausge­ bildet und oben sowie unten offen und die Höhe 9 beträgt vorzugsweise 200-600 mm. Zwischen einem unteren Rand mit Abwinklungen 10 der Leitkammer 8 und dem Prallblech-Verteilerrohr 3, 4 sind Zuführspalte 11 vorgesehen, die flächenmäßig der Querschnittsfläche der Leitkammer 8 entsprechen.

Die Querschnittsfläche der Leitkammer 8 ist so bemes­ sen, daß bei maximaler Gaszufuhr ungefähr gleich große Volumen Gas und Flüssigkeit durch die Leitkammer 8 strömen. Die Löcher 7 der Verteilerrohre 3 haben einen Durchmesser von 1-2 mm und der Durchmesser der Löcher 6 der Prallbleche 4 ist 4-8 mm.

Die Leitkammern 8 besitzen im Bereich der Austrittsöff­ nungen Abdeckplatten 12, die so angebracht sind, daß die dadurch gebildeten seitlichen Austritte 13 flächen­ mäßig der Querschnittsfläche der Leitkammer 8 ent­ sprechen. Eine gute Wirksamkeit mit einer kontrol­ lierten Entgasung wird dadurch erzielt, daß gleich große Volumen Gas und Flüssigkeit in feinverteilter Form an den Gasaustrittsöffnungen in Kontakt gebracht werden und die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in den Entgasungszonen maximal mit 0,25 m/sec bemessen wird.

Bei der Betrachtung der Verhältnisse in einem Behälter von 5 m Durchmesser, der mit 100 000 Liter Flüssigkeit gefüllt ist und mit 200 000 Liter Luft pro Minute belüftet wird, ergibt sich, daß 3330 Liter entlüftete Flüssigkeit pro Sekunde an den Luftaustrittsöffnungen vorbeigeführt werden müssen.

Die Entlüftungszonen müssen dementsprechend eine Gesamtquerschnittsfläche von 13,3 m² haben, d.h. 68% der Behälterbodenfläche wird für die Entlüftungszonen benötigt.

Im Vergleich zu einer Strahlrohrbelüftungsvorrichtung hat diese Vorrichtung eine wesentlich bessere Wirksam­ keit und der spezifische Luftverbrauch ist in der Regel um 20-30% reduziert.

Es wird ferner ermöglicht, daß im Behälter mit höheren Produktkonzentrationen gearbeitet werden kann und eine erhöhte Produktionskapazität erzielbar ist. Der wich­ tigste Vorteil der konzentrierten Arbeitsweise ergibt sich aber gewöhnlich daraus, daß die Qualität des Endproduktes verbessert ist.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Begasen von Flüssigkeiten in großen Behältern zur Durchführung mikrobiologischer Prozesse mit im Bereich des Behälterbodens angeord­ neter Verteilerrohre, die mit einer Gaszuführlei­ tung in Verbindung stehen und die Verteilerrohre eine Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerrohre (3) mit ihren Gasaustrittsöffnungen (7) unterhalb zugeordneter vertikal verlaufender kanalartiger Leitkammern (8) angeordnet sind, wobei zwischen Verteilerrohr (3) und Eintrittsöffnung der Leit­ kammer (8) seitliche Zuführspalte (11) gebildet sind und die Gasaustrittsöffnungen (7) der Ver­ teilerrohre (3) im Bereich unterhalb der Öffnung der Leitkammer (8) angeordnet sind und daß die Aus­ trittsöffnung der Leitkammer (8) eine Abdeckung (12) unter Bildung von seitlichen Austritten (13) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verteilerrohre (3) im Bereich oberhalb der Gasaustrittsöffnungen (7) im Abstand angeordne­ te Prallbleche (4) mit gegenüber der Gasaustritts­ öffnungen (7) versetzt angeordneten Durchtrittsöff­ nungen (6) aufweisen und die Durchtrittsöffnungen (6) der Prallbleche (4) wenigstens doppelt so groß wie die Gasaustrittsöffnungen (7) in den Verteiler­ rohren (3) bemessen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gaszuführleitung (1) als Träger­ organ mit beidseitig rechtwinklig und parallel zugeordnete Verteilerrohre (3) als Abzweigungen ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführspalte (11) zwischen Verteilerrohr (3) bzw. angeordnetem Prallblech (4) und Eintrittsöffnung der Leitkammer (8) flächenmäßig etwa der Querschnittsfläche der Leitkammer (8) entsprechen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung der Leitkammer (8) Abwinklungen (10) als Zuführung aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Abdeck­ platte (12) gebildeten Spalte (13) Austrittsöffnung der Leitkammer (8) flächenmäßig etwa der Quer­ schnittsfläche der Leitkammer (8) entspricht.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des zuge­ führten Gases über die Austrittsöffnungen (6, 7) der Verteilerrohre (3) etwa dem zugeführten Volumen der Flüssigkeit in der Leitkammer (8) entspricht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerrohre (3) im Bereich der Gasaustrittsöffnungen (7) dachförmig ausgebildet sind und eine entsprechend zugeordnete Prallblechausbildung aufweisen.