DE4105726C1 - Glass contg. bio-reactor with improved circulation - comprises mixing nozzle composed of first mixing section for mixing microorganism suspension with gas stream, and second section for further adding suspension for final mixing in third section - Google Patents

Glass contg. bio-reactor with improved circulation - comprises mixing nozzle composed of first mixing section for mixing microorganism suspension with gas stream, and second section for further adding suspension for final mixing in third section

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Abstract

In the bioreactor, in which a suspension of microorganisms on a substrate is mixed with a gas stream in a mixing nozzle, the nozzle has a first mixing section (A), in which the gas stream (I) is mixed with the fluid stream of the substrate input (III), forming a suspension mixture which passes to a second mixing section (B). In the second section, substrate suspension drawn in from the reactor vessel via a suction channel (22) is added to the mixture and mixed with it in a third mixing section (C). ADVANTAGE - Improved circulation

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für den Betrieb von begasten Bioreaktoren zum Verbessern der schlaufenförmigen Zirkulation einer in den Reaktorbehälter eingebrachten, aus einem Substrat und darin befindlichen Mikroorganismen bestehenden Suspension, die mit einem Gasstrom in einer Mischdüse gemischt wird, wobei die Umwälzung des dabei entstehenden Phasengemisches außerhalb der Mischdüse im Reaktorbehälter erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einrichtung für den Betrieb von begasten Bioreaktoren zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einem Reaktorbehälter mit einem im inneren angeordneten beidseitig offenen Rohr, dessen oberem Ende eine Mischdüse gegenüberliegt, mittels der der Gaseintrag und der Substrateintrag mischbar und in das Rohr drückbar sind, wobei die Mischdüse in die Reaktorsuspension tauchend gestaltet ist, mit je einer Eintrittsöffnung für den Gaseintrag und den Substrateintrag, einer Austrittsöffnung für das Phasengemisch, den Mischstrecken und mindestens einer Ansaugöffnung für die Substratsuspension. The invention relates to a method for the operation of fumigated bioreactors to improve the loop-shaped Circulation of one placed in the reactor vessel a substrate and existing microorganisms Suspension with a gas stream in a Mixing nozzle is mixed, the circulation of the resulting Phase mixture outside the mixing nozzle in the reactor vessel he follows. The invention further relates to a Device for the operation of fumigated bioreactors Implementation of the process, consisting of a reactor vessel with an inside open on both sides Tube, the upper end of which is opposite a mixing nozzle, by means of which the gas entry and the substrate entry are miscible and can be pressed into the tube, the mixing nozzle in the Reactor suspension is designed diving, with one entry opening each for gas entry and substrate entry, an outlet for the phase mixture, the mixing sections and at least one suction opening for the substrate suspension.  

Es sind volldurchmischte Reaktoren für biokatalytische Prozesse bekannt, in denen Rohstoffe unter Ausnutzung des Synthesepotentials lebender Mikroorganismenzellen in definierte Produkte umgewandelt werden (Versorgungswirtschaft) oder aber organisch belastete Abläufe durch Mikroorganismen mineralisiert, d. h. gereinigt werden (Entsorgungswirtschaft).They are fully mixed reactors for biocatalytic processes known in which raw materials utilizing the synthetic potential living microorganism cells in defined Products are converted (utilities) or organically contaminated processes by microorganisms mineralized, d. H. be cleaned (waste management).

Es ist auch bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse Reaktortypen unterschiedlicher Ausführungsvarianten, wie begaste Schlaufenfermenter mit einem Stoffkreislauf, einzusetzen. Die eingesetzten Schlaufenreaktoren weisen eine definiert gerichtete innere oder äußere Zirkulation auf (Zeitschrift "Chem. Ing. Techn.", 1974, 46, 701). Des weiteren ist ein Kompaktreaktor bekannt, der im Inneren des geschlossenen Reaktorbehälters ein beidseitig offenes Rohr besitzt. Am oberen Ende des Rohres ist eine Mischdüse angeordnet, mit der die gasförmigen Bestandteile und die Suspension in das Innenrohr gedrückt werden. Die geklärte Suspension wird zum Teil in ein neben dem Reaktor angeordnetes Absetzgefäß abgeführt, während der andere Teil mittels Pumpe wieder der Mischdüse zugeführt wird. Ein weiterer noch im Reaktor befindlicher Teil wird am oberen Ende des Innenrohres durch die Sogwirkung der Zweistoffdüse in das Innenrohr zurückgesaugt, wobei die Gasblasen und die Bakterienflocken erneut dispergiert werden. Aus dem Absetzgefäß wird das gereinigte Abwasser und ein Teil des Bioschlammes abgeführt. Der andere Teil des Bioschlammes wird in den Reaktor zurückgeführt.It is also known to meet these types of reactor requirements different versions, such as fumigated Loop fermenter with a material cycle. The loop reactors used have a defined directed internal or external circulation (Journal "Chem. Ing. Techn.", 1974, 46, 701). Furthermore is known a compact reactor, which is inside the closed Reactor a tube open on both sides owns. A mixing nozzle is arranged at the upper end of the tube, with the the gaseous components and the suspension be pressed into the inner tube. The clarified suspension is partly arranged in a next to the reactor Sedimentation vessel, while the other part by means of Pump is fed back to the mixing nozzle. Another part still in the reactor is at the top of the Inner tube through the suction effect of the two-fluid nozzle in the Inner tube sucked back, the gas bubbles and the bacterial flakes be dispersed again. From the settling tank becomes the cleaned wastewater and part of the organic sludge dissipated. The other part of the bio sludge is in the reactor returned.

Aus der DE-Patentschrift 9 20 844 ist es bekannt, die Begasung einer Suspension mittels eines durch einen Motor angetriebenen Schleuderrades zu verbessern, das mit Bohrungen versehen und im oberen Teil des Leitrohres vorgesehen ist. Eine Förderschraube kann dabei die Suspension innerhalb des Leitrohres zu dem Schleuderrad fördern. Entsprechend dem DE-Gebrauchsmuster 70 32 241 ist es dabei auch möglich, den Bioreaktor in seiner Längsachse horizontal anzuordnen, um den Leistungsbedarf für die Durchmischung zu verringern, weil dann die Gaszufuhr bei geringem Druck erfolgen kann.It is known from German patent specification 9 20 844 that fumigation a suspension by means of an engine driven centrifugal wheel to improve that with holes provided and provided in the upper part of the guide tube is. A screw can feed the suspension inside  convey the guide tube to the centrifugal wheel. Corresponding it is also the DE utility model 70 32 241 possible to arrange the bioreactor horizontally in its longitudinal axis, to increase the power requirement for mixing reduce, because then the gas supply takes place at low pressure can.

Es ist auch aus der DE-Auslegeschrift 24 33 414 bereits bekannt, das Schleuderrad in der Nähe des Reaktorbodens anzuordnen, so daß dieses zusammen mit einer ringförmigen Verengung im Leitrohr an dessen oberem Ende, die durch die Anordnung eines gaszuführenden Körpers verursacht wird, eine Durchgasung der Suspension bewirkt. Durch den von dem Schleuderrad erzeugten Abwärtssog der Suspension, die dadurch in der ringförmigen Verengung ihre größte Strömungsgeschwindigkeit hat, wird das Gas angesaugt.It is also known from DE-Ausletschrift 24 33 414, to place the centrifugal wheel near the bottom of the reactor, so this together with an annular constriction in the guide tube at its upper end by the arrangement of a gas supplying body is caused Gasing the suspension causes. By that of that The impeller generated downward suction of the suspension, which caused it their greatest flow velocity in the annular constriction the gas is sucked in.

Bei den zuletzt beschriebenen Einrichtungen ist es nachteilig, daß die Durchwirbelung mit motorgetriebenen, mechanischen Hilfsmitteln erfolgt, so daß eine erhebliche Energiezufuhr unvermeidlich ist.In the facilities described last, it is disadvantageous that the turbulence with motor-driven, mechanical Aids are made so that a significant supply of energy is inevitable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung für den Betrieb von derartigen Bioreaktoren zu schaffen, mit denen eine weitere Verbesserung des mikrobenschonenden Sauerstoffeintrags in die Suspension eines Bioreaktorinhalts zur Erhöhung der mikrobiellen Stoffwechseltätitgkeit erreicht wird, die Strömungs- und Verwirbelungsprozesse im Reaktorbehälter verbessert werden sowie eine bessere Ausnutzung der Biomasse erfolgt, jedoch ohne daß dafür motorgetriebene Verwirbelungseinrichtungen eingesetzt werden müßten.The invention has for its object a method and a device for the operation of such bioreactors to create with which a further improvement of the micro-gentle oxygenation in the suspension of a Bioreactor contents to increase the microbial metabolic activity is achieved, the flow and vortex processes be improved in the reactor vessel as well better use of the biomass is made, however without motor-driven swirling devices should be used.

Erfindungsgemäß wird bei dem eingangs genannten Verfahren die Aufgabe dadurch gelöst, daß im oberen Teil der Mischdüse der Gasstrom in einer ersten Mischstrecke mit dem Fluidstrahl des Substrateintrages vermischt wird, daß das daraus entstehende Suspensionsgemisch in eine zweite Mischstrecke gelangt, in der dem Suspensionsgemisch über einen Ansaugkanal aus dem Reaktorbehälter angesaugte Substratsuspension zugeführt und in einer weiteren Mischstrecke mit dieser vermischt wird.According to the invention the object is achieved in the method mentioned in that upper part of the mixing nozzle the gas flow in a first  Mixing section mixed with the fluid jet of the substrate entry is that the resulting suspension mixture reaches a second mixing section, in which the suspension mixture via a suction channel from the reactor vessel sucked substrate suspension fed and in another Mixing section is mixed with this.

Weiterhin wird die Aufgabe durch die eingangs genannte Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gelöst, bei der die Ansaugöffnung mit einem in der Mischdüse ausgebildeten Ringkanal in Verbindung stehend und der Gaseintrag am Ende der ersten Mischstrecke über einen Ringkanal erfolgend gestaltet sind.Furthermore, the task is performed by the device mentioned at the beginning Carried out this procedure in which the suction opening with an annular channel formed in the mixing nozzle related and the gas entry at the end of the first Mixing section are designed to take place over a ring channel.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen in Verbindung mit Beschreibung und Zeichnung hervor.Further advantageous embodiments of the invention go from the subclaims in connection with description and Drawing.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß - ohne motorgetriebene Verwirbelungseinrichtungen - neben Turbulenzerzeugung auch der notwendig hohe Anteil an Sauerstoff mikrobenschonend eingebracht werden kann. Da sich der zur biochemischen Oxidation bereitgestellte, gelöste Sauerstoff in der Flüssigkeitsphase für ein turbulentes System in nächster Näherung quantitativ proportional zum eingetragenen Luftsauerstoff darstellt, bedeutet dies ein geeigneteres Milieu für obligate Mikroben. Durch Verwendung geeigneter strömungstechnischer Parameter wird die Scherbelastung dergestalt minimiert, daß lediglich die Bakterienagglomerate mechanisch zerkleinert bzw. aufgelöst werden und so eine Vereinzelung der Mikroorganismen erreicht wird. Dadurch entstehen große Oberflächen, die für Substrat und Sauerstoff gut zugänglich sind und den Abtransport von Stoffwechselprodukten fördern. Somit kann ein sehr hoher Anteil der Mikroben einen effektiven Metabolismus durchführen. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine energiesparende, störungsunanfällige, umweltverträgliche Betriebsweise des Bioreaktors. Gegenüber bekannten Lösungen wird eine erhebliche Leistungssteigerung bei gleichem Wirkungsgrad erzielt. The advantages achieved with the invention are in particular in that - without motorized swirling devices - in addition to the generation of turbulence, the necessary high proportion of oxygen can be introduced in a way that is gentle on the micro can. Since the biochemical oxidation dissolved oxygen in the liquid phase for a turbulent system in the closest approximation quantitative is proportional to the oxygen in the air, this means a more suitable environment for obligatory microbes. By using suitable flow parameters the shear stress is minimized so that only the bacterial agglomerates mechanically crushed or be dissolved and thus a separation of the Microorganisms is reached. This creates great Surfaces that are easily accessible to substrate and oxygen are and promote the removal of metabolic products. Thus, a very high proportion of the microbes can unite perform effective metabolism. The invention  Solution enables an energy-saving, trouble-free, environmentally friendly operation of the bioreactor. Across from Known solutions will provide a significant performance boost achieved with the same efficiency.  

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles nachfolgend näher beschrieben werden.The invention is based on an embodiment are described in more detail below.

In der dazugehörigen Zeichnung zeigen:The accompanying drawing shows:

Fig. 1 den Systemaufbau eines Reaktionsraumes im Schnitt mit Strömungsführung und Darstellung der Stoffströme, stark schematisiert, Fig. 1 shows the schematic system construction of a reaction chamber in section, with the flow guide and presentation of the material flows, strong,

Fig. 2 einen Abschnitt einer Mischdüse mit einem gewendelten zentralen Teil im Längsschnitt, Fig. 2 shows a portion of a mixing nozzle with a coiled central part in longitudinal section;

Fig. 3 einen Abschnitt einer Mischdüse mit einer gewendelten Außenfläche im Längsschnitt, Fig. 3 shows a portion of a mixing nozzle with a helical outer surface in longitudinal section;

Fig. 4 einen Schnitt gemäß Linie IV-IV in Fig. 5, Fig. 4 shows a section according to line IV-IV in Fig. 5,

Fig. 5 eine Mischdüse gemäß der Erfindung mit dreistufiger Mischstrecke im Längsschnitt, Fig. 5 shows a mixing nozzle according to the invention with three-stage mixing section in longitudinal section;

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischdüse im Längsschnitt und Fig. 6 shows a further embodiment of a mixing nozzle according to the invention in longitudinal section and

Fig. 7 eine Mischdüse entsprechend Fig. 5, jedoch mit zweistufiger Mischstrecke. Fig. 7 shows a mixing nozzle corresponding to Fig. 5, but with a two-stage mixing section.

Fig. 1 zeigt ein im Innenraum eines Reaktorbehälters 10 angeordnetes Rohr 4. Eine Mischdüse 1 sitzt oberhalb des Rohres 4 in einer gelochten Zentrierscheibe 7 und drückt die Reaktorsuspension I + III im Rohr 4 nach unten. Am Boden 9 des Reaktorbehälters 10 wird sie durch dessen ringförmige Ausbildung nach außen umgelenkt und steigt im Raum 5 zwischen Rohr 4 und Mantel des Reaktorbehälters 10 nach oben. Die Querschnittsverhältnisse sind so gewählt, daß eine Druckentspannung beim Eintritt in den Raum zwischen dem Rohr und dem Rekatorbehälter 10 eintritt. Ein großer Teilvolumenstrom (punktiert gezeichnet) wird über Ansaugöffnungen 6 der Mischdüse 1 angesaugt, mit dem Substrat vermischt und erneut dem Kreislauf zugeführt. Ein Teil der Flüssigkeit kann auch wieder von der Pumpe 2 angesaugt werden, um dann erneut in der Mischdüse über die Leitung 16 zugeführt zu werden. Durch Reaktorgeometrie wird eine optimale Durchmischung sichergestellt. Um eine sichere schlaufenförmige Strömungsführung zu erhalten, befindet sich oberhalb und seitlich des Rohres 4 ein Umlenkring 8, der die aufsteigenden Fluidmassen zur Mittelachse des Reaktorbehälters 10 hin ablenkt, so daß sie gerichtet in den Bereich der Ansaugdüsen 6 der Mischdüse 1 geleitet werden. Dabei wird auch ein Teil des eingetragenen Gases wieder mit angesaugt, um erneut eindispergiert zu werden. Dadurch steigt die Sauerstoffausnutzung erheblich an. Die Zentrierscheibe 7 sorgt für eine sichere Fluidstrahlführung aus der Düse in die Achse des Rohres 4. Durch diese Zentrierscheibe 7 findet zusätzlich eine Rückhaltung der aufsteigenden Gasphase statt. Dadurch kann der Ansaugöffnung 6 der dritten Mischstrecke C (siehe Fig. 5/6) der Mischdüse 1 zusätzlich Gas zugeführt werden. Die Sauerstoffausnutzung wird so nochmals gesteigert. Um einen totzonenfreien Reaktionsraum zu erhalten, ist der Boden 9 wie ein um 180° gekrümmter Diffusor ausgearbeitet. Ein erleichtertes Ausströmen aus dem Rohr 4 wird auch hier durch seine geringe Erweiterung erreicht. Die gereinigte abgeführte Flüssigkeit wird von der Wasseroberfläche über einen Substrataustrag II in einen Sedimeter 11 geleitet. Für die Rückgewinnung der Biomasse ist der Sedimenter 11 über eine Pumpe 23 und eine Leitung 12 mit einem Substrateintrag III verbunden. Die gereinigte Flüssigkeit wird mittels einer Abwasserleitung 13 abgeführt. Fig. 1 shows a valve disposed in the interior of a reactor vessel 10 tube 4. A mixing nozzle 1 sits above the tube 4 in a perforated centering disk 7 and presses the reactor suspension I + III in the tube 4 downwards. At the bottom 9 of the reactor vessel 10 , it is deflected outwards by its annular configuration and rises in the space 5 between the tube 4 and the jacket of the reactor vessel 10 . The cross-sectional ratios are selected so that a pressure release occurs when entering the space between the tube and the recorder container 10 . A large partial volume flow (shown in dotted lines) is drawn in through the suction openings 6 of the mixing nozzle 1 , mixed with the substrate and fed back into the circuit. Part of the liquid can also be sucked in again by the pump 2 , in order then to be fed again in the mixing nozzle via the line 16 . Optimal mixing is ensured by reactor geometry. In order to obtain a safe loop-shaped flow guidance, there is a deflection ring 8 above and to the side of the tube 4 , which deflects the rising fluid masses towards the central axis of the reactor vessel 10 , so that they are directed in the area of the suction nozzles 6 of the mixing nozzle 1 . Part of the gas introduced is also sucked in again in order to be dispersed again. This increases the oxygen utilization considerably. The centering disk 7 ensures reliable fluid jet guidance from the nozzle into the axis of the tube 4 . This centering disk 7 additionally retains the rising gas phase. As a result, gas can additionally be supplied to the suction opening 6 of the third mixing section C (see FIGS. 5/6) of the mixing nozzle 1 . This increases the oxygen utilization even further. In order to obtain a reaction zone free from dead zones, the base 9 is designed like a diffuser curved by 180 °. A facilitated outflow from the tube 4 is also achieved here by its slight expansion. The cleaned, discharged liquid is passed from the water surface via a substrate discharge II into a sedimeter 11 . For the recovery of the biomass, the sediment 11 is connected to a substrate entry III via a pump 23 and a line 12 . The cleaned liquid is discharged by means of a sewage line 13 .

Fig. 2 und 3 zeigen, wie der von der Pumpe 2 beschleunigte Fluidstrahl des Substrateintrages III durch eine wendelförmige Aussparung 17, 18 an der Innen- bzw. Außenwand einer Ringdüse 19 in eine Rotationsbewegung versetzt wird; die Ringdüse 19 ist ein (oberer) Teil der Mischdüse 1. Figs. 2 and 3 show how the accelerated by the pump fluid jet 2 of the substrate entry III by a helical groove 17, 18 is placed on the inner or outer wall of an annular die 19 in a rotary motion; the ring nozzle 19 is an (upper) part of the mixing nozzle 1 .

In Fig. 4 ist die tangentiale Zuführung des Substrat­ eintrages III in einen Umlenkraum der Ringdüse 19 dargestellt.In FIG. 4, the tangential feed of the substrate is shown the entry 19 III into a deflection space of the annular die.

Die Fig. 5, 7 und 6 zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsformen einer Mischdüse 1. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Ausführungsformen besteht darin, daß bei der Mischdüse nach Fig. 5 die Einleitung des Substrateintrages III radial zur Strömungsrichtung innerhalb der Mischdüse 1 erfolgt, während bei der Mischdüse nach der Fig. 6 der Substrateintrag III in Längsrichtung der Mischdüse 1 erfolgt. Figs. 5, 7 and 6 show two different embodiments of a mixing nozzle. 1 The main difference between the two embodiments is that in the mixing nozzle according to FIG. 5 the introduction of the substrate III takes place radially to the direction of flow within the mixing nozzle 1 , while in the mixing nozzle according to FIG. 6 the substrate III is carried out in the longitudinal direction of the mixing nozzle 1 .

Der Gaseintrag I erfolgt bei der Mischdüse nach Fig. 5 über eine mit einem Kanal versehene Düse 20, die von einem Ringkanal 19 umgeben ist. Über den Anschluß III wird das Substrat über die Leitung 16 in die Mischdüse 1 eingedrückt und tritt dann in den Ringkanal 19 ein. Durch wendelförmige Aussparungen 17 auf der Außenseite der Düse 20 wird das Substrat III zusätzlich in Rotation versetzt, so daß eine sehr gute Vermischung von Gas und Substrat in der ersten Mischstrecke A erfolgt. Der Gaseintrag I wird nicht nur über die Düse 20 sondern zusätzlich über einen Ringkanal 21 durchgeführt, der über einen Kanal 24 mit dem Gaseintrag I in Verbindung steht. Dieser Ringkanal mündet am Ende der Mischstrecke A auf der Außenseite des Fluidstromes, so daß in der sich anschließenden zweiten Mischstrecke B eine innige Vermischung von Gas und Substrat erfolgt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 entfällt die zentrale Düse 20, so daß das Gas ausschließlich über den Ringkanal 21 zugeführt wird. An die zweite Mischstrecke B schließt sich eine dritte Mischstrecke C an, wobei der Durchmesser der Mischstrecke C größer als der der Mischstrecke B ist. Im Übergangsbereich der Mischstrecke B in die Mischstrecke C ist ein weiterer Ringkanal 22 angeordnet, der über Ansaugöffnungen 6 mit der Suspension in dem Reaktorbehälter 10 in Verbindung steht. Durch die Strömungsgeschwindigkeit des Substrats in der Mischdüse 1 wird ein Unterdruck in der Mischdüse erzeugt, so daß über die Ansaugöffnungen 6 und den Ringkanal 22 Reaktorsuspension und Gas angesaugt und mit dem Substrat in der folgenden Mischstrecke C vermischt wird.The gas input I takes place in the mixing nozzle according to FIG. 5 via a nozzle 20 which is provided with a channel and is surrounded by an annular channel 19 . Via the connection III, the substrate is pressed into the mixing nozzle 1 via the line 16 and then enters the annular channel 19 . By means of helical recesses 17 on the outside of the nozzle 20 , the substrate III is additionally set in rotation, so that the gas and substrate are mixed very well in the first mixing section A. The gas input I is carried out not only via the nozzle 20 but also via an annular channel 21 which is connected to the gas input I via a channel 24 . This ring channel opens at the end of the mixing section A on the outside of the fluid flow, so that an intimate mixing of gas and substrate takes place in the subsequent second mixing section B. In the embodiment according to FIG. 7, the central nozzle 20 is omitted, so that the gas is supplied exclusively via the annular channel 21 . A third mixing section C follows the second mixing section B, the diameter of the mixing section C being larger than that of the mixing section B. In the transition region of the mixing section B into the mixing section C, a further annular channel 22 is arranged, which is connected to the suspension in the reactor vessel 10 via suction openings 6 . A negative pressure is generated in the mixing nozzle by the flow rate of the substrate in the mixing nozzle 1 , so that reactor suspension and gas are sucked in via the suction openings 6 and the annular channel 22 and mixed with the substrate in the following mixing section C.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 6 sind gleichfalls 3 Mischstrecken A, B, C vorhanden, wobei der Gaseintrag zum einen mittig über die Düse 20 und zum anderen am Umfang über einen Ringkanal 21 erfolgt. Die Ausbildung der Ansaugöffnungen 6 und des Ringkanals 22 im Übergangsbereich der zweiten Mischstrecke B in die dritte Mischstrecke C ist entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 gestaltet.In the exemplary embodiment according to FIG. 6, 3 mixing sections A, B, C are likewise present, the gas being introduced on the one hand in the center via the nozzle 20 and on the other hand on the circumference via an annular channel 21 . The formation of the suction openings 6 and the annular channel 22 in the transition region of the second mixing section B into the third mixing section C is designed in accordance with the exemplary embodiment according to FIG. 5.

Der Substrateintrag III erfolgt über einen Kanal 25, der in einem Ringkanal 19 mündet, der die Düse 20 umgibt. Die Vermischung des Gaseintrages I und des Substrateintrages III erfolgt zweistufig in der Mischstrecke A und anschließend in der Mischstrecke B, wobei hier wiederum über einen Ringkanal 21 auf der Peripherie der Gasstrom zugegeben wird. The substrate entry III takes place via a channel 25 which opens into an annular channel 19 which surrounds the nozzle 20 . The mixing of the gas entry I and the substrate entry III takes place in two stages in the mixing section A and then in the mixing section B, the gas stream being added here again via an annular channel 21 on the periphery.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäß ausgebildeten Mischdüse liegt in der geschichteten Zuführung und der vermischenden Rotation der Gas-Flüssig-Phasen. Dabei ist in der Düse das Verhältnis von Rotation zu Translation im Treibstrahl so ausgewogen, daß eine innige Durchmischung und keine Separation erfolgt. Von besonderem Vorteil ist auch die Dreistufigkeit des Düsenaufbaus. Die beiden ersten Mischstrecken A und B dienen der Anreicherung mit Sauerstoff und der Gleichverteilung der Phasen, während vor der dritten Mischstrecke C Suspension und Gas aus dem Reaktorraum angesaugt und mit den ankommenden Phasen nochmals vermischt wird. Somit wird die Verweildauer der Phasen im Reaktorraum entscheidend verkürzt und die Gasausnutzung gesteigert. Dadurch kann der Reaktionsraum noch intensiver genutzt bzw. bei gleicher Stoffwechselleistung kleiner ausgeführt werden. Der Substratumsatz kann also in bezug auf die Sauerstoffzufuhr durch die dritte Mischstrecke C nochmals gesteigert werden.The particular advantage of those designed according to the invention The mixing nozzle lies in the layered feed and the mixing rotation of the gas-liquid phases. Here is the ratio of rotation to translation in the nozzle balanced in the propellant jet so that an intimate Mixing and no separation takes place. Of particular Another advantage is the three-stage structure of the nozzle. The first two mixing sections A and B are used enrichment with oxygen and equal distribution of phases, while before the third mixing section C Suspension and gas sucked in from the reactor room and is mixed again with the incoming phases. Consequently becomes the dwell time of the phases in the reactor room significantly shortened and gas utilization increased. This allows the reaction space to be used even more intensively or made smaller with the same metabolic rate will. The substrate turnover can therefore be related on the oxygen supply through the third mixing section C can be increased again.

Es ist insbesondere darauf hinzuweisen, daß durch die wendelförmige Ausgestaltung ein großer Rotationsanteil der Flüssigphase in der Ringdüse erhalten wird, was zu einem hohen Saugdruck aufgrund der entstehenden Fliehkraft in der Düsenmittelachse und somit zu einer Erhöhung des angesaugten Gasvolumenstromes führt. Durch die anschließende Mischstrecke A wird, bedingt durch die hohe Relativgeschwindigkeit der Partikel (Gas/Flüssigkeit/Flocken) zueinander, eine gute Durchmischung sowohl in axialer als auch in radialer Richtung erzielt über einen weiteren Ringkanal 21 am Ende der Mischstrecke A wird ein weiterer Gasanteil zugeführt, wobei hier auf die Dimensionierung des Eintrittsspaltes, durch den in Rotation versetzten Treibstrahl mit seiner um den Faktor 1000 höheren Dichte gegenüber dem Gas und durch die hohe Relativgeschwindigkeit in Längsrichtung der Mischdüse sowie durch die beschriebene Ausbildung des Gasführungsweges eine äußerst intensive Durchmischung erhalten wird.It should be pointed out in particular that the helical configuration results in a large rotational proportion of the liquid phase in the ring nozzle, which leads to a high suction pressure due to the centrifugal force which arises in the nozzle center axis and thus to an increase in the gas volume flow sucked in. The subsequent mixing section A, due to the high relative speed of the particles (gas / liquid / flakes) to one another, ensures thorough mixing both in the axial and in the radial direction, via a further annular channel 21 at the end of the mixing section A, a further gas component is supplied , Here on the dimensioning of the inlet gap, by the rotating jet with its 1000 times higher density compared to the gas and by the high relative speed in the longitudinal direction of the mixing nozzle, as well as by the described design of the gas routing, an extremely intensive mixing is obtained.

Die für den Sauerstofftransfer maßgeblichsten Parameter sind in der sog. Stofftransportgleichung zusammengefaßt:The most important parameters for oxygen transfer are summarized in the so-called mass transport equation:

Demnach ergibt sich der übergehende Massenstrom des Sauerstoffes pro Flüssigkeitsvolumen VL des Raktorbehälters aus dem Produkt von Stoffübergangskoeffizienten kL (m/s), spezifischer Phasengrenzfläche a (m²/m³) und dem treibenden Sauerstoff-Konzentrationsgefälle (c₀-c) in der Einheit kg/m³, wobei c₀ die Sättigungslöslichkeit (kg/m³) und c die Konzentration in der Masse der Flüssigkeit darstellt.The resulting mass flow of oxygen per liquid volume V L of the reactor tank results from the product of mass transfer coefficients k L (m / s), specific phase interface a (m² / m³) and the driving oxygen concentration gradient (c₀-c) in the unit kg / m³, where c₀ is the saturation solubility (kg / m³) and c is the concentration in the mass of the liquid.

Claims (12)

1. Verfahren für den Betrieb von begasten Bioreaktoren zum Verbessern der schlaufenförmigen Zirkulation einer in den Reaktorbehälter eingebrachten, aus einem Substrat und darin befindlichen Mikroorganismen bestehenden Suspension, die mit einem Gasstrom in einer Mischdüse gemischt wird, wobei die Umwälzung des dabei entstehenden Phasengemisches außerhalb der Mischdüse im Reaktorbehälter erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Teil der Mischdüse (1) der Gasstrom (I) in einer ersten Mischstrecke (A) mit dem Fluidstrahl des Substrateintrages (III) vermischt wird, daß das daraus entstehende Suspensionsgemisch in eine zweite Mischstrecke (B) gelangt, in der dem Suspensionsgemisch über einen Ansaugkanal (22) aus dem Reaktorbehälter angesaugte Substratsuspension (I′+III′) zugeführt und in einer weiteren Mischstrecke (C) mit dieser vermischt wird.1. A method for the operation of fumigated bioreactors to improve the loop-shaped circulation of a suspension, which is introduced into the reactor vessel and consists of a substrate and microorganisms therein, which is mixed with a gas stream in a mixing nozzle, with the circulation of the resulting phase mixture outside the mixing nozzle takes place in the reactor vessel, characterized in that in the upper part of the mixing nozzle ( 1 ) the gas stream (I) is mixed in a first mixing section (A) with the fluid jet of the substrate entry (III), that the resulting suspension mixture into a second mixing section (B ) arrives, in which substrate suspension (I '+ III') sucked in from the reactor vessel is fed into the suspension mixture via an intake channel ( 22 ) and is mixed with it in a further mixing section (C). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseintrag (I) in der Mischstrecke (A) an zwei in Stromrichtung beabstandeten Stellen (20, 21) erfolgt, wobei der eine Eintrag (20) in der Strommitte und der zweite Eintrag (21) an der Stromaußenseite erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the gas entry (I) in the mixing section (A) at two points spaced in the flow direction ( 20, 21 ), the one entry ( 20 ) in the middle of the stream and the second entry ( 21 ) on the outside of the current. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Substrateintrag (III) durch Leitflächen (17, 18) in Rotation versetzt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the substrate entry (III) is set in rotation by guide surfaces ( 17, 18 ). 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der ersten Mischstrecke (A) für das Gemisch das Verhältnis der Treibstrahlvektoren der Translation und der Rotation größer als 1 ist.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that within the first mixing section (A) the ratio of the propulsion jet vectors for the mixture translation and rotation greater than 1 is. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsgeschwindigkeit des Gemisches aus der Mischdüse (1) so groß ist, daß Reaktorsuspension aus dem Raum (5) angesaugt und in das Rohr (4) eingespeist wird. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the exit speed of the mixture from the mixing nozzle ( 1 ) is so great that reactor suspension is sucked out of the space ( 5 ) and fed into the tube ( 4 ). 6. Einrichtung für den Betrieb von begasten Bioreaktoren zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bestehend aus einem Reaktorbehälter mit einem im Inneren angeordneten beidseitig offenen Rohr, dessen oberem Ende eine Mischdüse gegenüberliegt, mittels der der Gaseintrag und der Substrateintrag mischbar und in das Rohr drückbar sind, wobei die Mischdüse in die Reaktorsuspension tauchend gestaltet ist, mit je einer Eintrittsöffnung für den Gaseintrag und den Substrateintrag, einer Austrittsöffnung für das Phasengemisch, den Mischstrecken und mindestens einer Ansaugöffnung für die Substratsuspension, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansaugöffnung (6) mit einem in der Mischdüse (1) ausgebildeten Ringkanal (22) in Verbindung stehend und der Gaseintrag (I) am Ende der ersten Mischstrecke (A) über einen Ringkanal (21) erfolgend gestaltet sind.6. Device for the operation of fumigated bioreactors for carrying out the method according to any one of claims 1 to 5, consisting of a reactor vessel with an internally arranged tube open on the inside, the upper end of which is opposite a mixing nozzle, by means of which the gas entry and the substrate entry are miscible and can be pressed into the tube, the mixing nozzle being designed to be immersed in the reactor suspension, each with an inlet opening for the gas entry and the substrate entry, an outlet opening for the phase mixture, the mixing sections and at least one suction opening for the substrate suspension, characterized in that the suction opening ( 6 ) communicating with an annular channel ( 22 ) formed in the mixing nozzle ( 1 ) and the gas input (I) at the end of the first mixing section (A) via an annular channel ( 21 ). 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zentral in die Mischdüse (1) führende, aus der Eintrittsöffnung für den Gaseintrag (I) gespeiste Leitung (20) für einen ersten Teil des Gaseintrages (I) und ein in der Wandung der Mischdüse (1) ausgebildeter Ringkanal (21) für einen zweiten Teilstrom des Gaseintrages (I) vorgesehen sind, über die der Gaseintrag (I) in die erste Mischstrecke (A) einleitbar ist. 7. Device according to claim 6, characterized in that a centrally into the mixing nozzle ( 1 ), from the inlet opening for the gas entry (I) fed line ( 20 ) for a first part of the gas entry (I) and one in the wall of the Mixing nozzle ( 1 ) designed annular channel ( 21 ) are provided for a second partial flow of gas entry (I), via which the gas entry (I) can be introduced into the first mixing section (A). 8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischstrecke (A) der Mischdüse (1) an der Innenwand oder Außenwand angeordnete wendelförmige Aussparungen (17; 18) oder wendelförmige Stege aufweist.8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the mixing section (A) of the mixing nozzle ( 1 ) on the inner wall or outer wall arranged helical recesses ( 17; 18 ) or helical webs. 9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktorbehälter (10) unterhalb des Rohres (4) einen Boden (9) mit umlaufenden ringförmigen Vertiefungen aufweist.9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the reactor vessel ( 10 ) below the tube ( 4 ) has a bottom ( 9 ) with circumferential annular depressions. 10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Reaktorbehälter (10) am oberen Bereich des Rohres (4) ein umlaufender Umlenkring (8) angeordnet ist. 10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that a circumferential deflection ring ( 8 ) is arranged in the reactor vessel ( 10 ) at the upper region of the tube ( 4 ). 11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsquerschnitt aus dem Rohr (4) durch die Gestaltung des Bodens (9) kleiner ist als der Querschnitt zwischen Reaktorwand und Rohr (4).11. The device according to claim 10, characterized in that the outlet cross section from the tube ( 4 ) by the design of the bottom ( 9 ) is smaller than the cross section between the reactor wall and tube ( 4 ). 12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß für die Fluidstrahlführung über dem Rohr (4) eine gelochte Zentrierscheibe (7) vorhanden ist.12. Device according to one of claims 1 to 11, characterized in that a perforated centering disc ( 7 ) is provided for the fluid jet guidance over the tube ( 4 ).
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