DK163066B - Fremgangsmaade og apparat til udfoerelse af en fermentering - Google Patents

Description

DK 163066 B

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til udførelse af en fermentering, ved hvilken fremgangsmåde der foretages en ind-5 førsel og en efterfølgende opblanding af en eller flere gasser i en fermenteringsvæske, som indbringes i et apparat af loop-reaktortypen, hvilket apparat har en topdel og en af en nedstrømsdel, en U-bøjningsdel og en opstrømsdel bestående U-del, idet fermenteringsvæsken cirkuleres i appa-10 ratet af en i U-delen anbragt pumpe.

Opfindelsen angår også et apparat til brug ved udøvelse af denne fremgangsmåde, hvilket apparat er af loop-reaktortypen og har en topdel og en af en i hovedsagen lodret ned-15 strømsdel, en U-bøjningsdel og en i det væsentlige lodret opstrømsdel bestående U-del, en i U-delen anbragt pumpe, der er indrettet til at kunne cirkulere en fermenterings-væske i apparatet, og organer til indføring af fermenteringsvæske og til indføring af en eller flere gasser i fer-20 menteringsvæsken, hvorhos topdelen udgøres af en cylinder, som har væsentligt større diameter end nedstrømsdelen og er sluttet til denne gennem en kegle.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen og apparatet ifølge op-25 findelsen kan finde anvendelse ved udførelsen af den type af fermenteringer, ved hvilke der indføres en eller flere gasser i f erment er ingsvæsken, og ved hvilke der dannes biomasse eller andre fermenteringsprodukter. 1 2 3 4 5 6 I traditionelle bioreaktorer (fermentorer) sker opblandin 2 gen af gasser i fermenteringsvæsken ved hjælp af omrører- 3 blade placeret centralt i fermentoren. Omrørerbladene ska 4 ber turbulens i væsken, hvilket betyder, at gas - som regel 5 indblæst ved reaktorens bund - bliver spredt i væsken i 6 form af små fine gasbobler. Denne reaktortype giver en relativ homogen opblanding eller dispergering, det vil sige,

DK 163066 B

2 at hvis man måler ved reaktorens top eller hund, vil man finde omtrentligt den samme koncentration af gasser og substrater. Reaktortypen er ikke særligt velegnet til opskale-ring, da det er svært at opnå den samme homogene opblanding 5 og den samme massetransport i store reaktorer som den opblanding og transport, der opnås i mindre laboratorie- eller pilotreaktorer. Desuden betyder den kraftige omrøring en væsentlig opvarmning af fermenteringsvæsken.

10 For at undgå den mekaniske omrøring er der udviklet forskellige typer af air-lift reaktorer. De fleste er såkaldte loop-reaktorer, i hvilke der indgår to dele - en opstrøms-og en nedstrømsdel. En eller flere gasser tilføres i bunden af reaktoren i opstrømsdelen i et arrangement, der giver 15 små gasbobler (hvilket arrangement for eksempel omfatter en sintret keramisk plade eller en række små dyser). Boblerne blander sig med væsken, hvorved massefylden bliver mindre og gas-væske blandingen bliver fortrængt af ny væske fra nedstrømsdelen. Gas-væske blandingen bevæger sig op igennem 20 opstrømsdelen af reaktoren, og ved toppen af reaktoren afgiver blandingen sine gasbobler, hvorefter væsken bevæger sig ned gennem nedstrømsdelen. Air-lift reaktorer er traditionelt høje slanke reaktorer for at opnå en lang opholdstid af gasboblerne i væsken. Dette betyder, at gassen skal 25 indføres under et højt tryk til overvindelse af det hydrostatiske tryk, der forekommer ved reaktorens bund. Hvis gassen er luft, indebærer det anvendelse af en eller flere kompressorer. Air-lift reaktorer har desuden en relativt dårlig udnyttelse af den ved indblæsning indførte gas, idet 30 der typisk kun udnyttes 20-40% af gassen.

Fra EP offentliggørelsesskrift nr. 0.185.407 kendes en fremgangsmåde og et apparat af den indledningsvist angivne art.

Denne kendte fremgangsmåde tjener til produktion af poly- 35

DK 163066 B

3 saccharider ved fermentering af vand, glucose og næringssalte samt luft, men kan også bruges til produktion af gær eller gluconsyre fra glucose, oxidation af ethen og produktion af single celle protein (SCP) fra paraffin dispergeret 5 i vand.

Ved den kendte fremgangsmåde indføres luft i apparatet via et rør i den nederste ende af opstrømsdelen, hvorfor luften 5 skal indføres ved et tryk på ca. 4 10 Pa for at overvinde 10 det hydrostatiske tryk i fermenteringsvæsken, da det kendte apparat til brug ved udøvelse af fremgangsmåden typisk har en højde på ca. 40 m i et fuldskalaapparat.

Endvidere vil opholdstiden for den i apparatet indførte 15 luft være begrænset til alene at omfatte tiden for opstigning gennem opstrømsdelen, da luften i alt væsentligt vil blive udskilt fra fermenteringsvæsken i apparatets topdel.

Ved den kendte fremgangsmåde cirkuleres fermenterings væske 20 af en pumpe, der er anbragt i apparatets U-del og i strømningsretningen forud for indføringen af luft i fermenteringsvæsken, der på dette sted i det væsentlige ikke indeholder luft, hvorfor der som cirkulationspumpe kan anvendes en tandhjulspumpe.

25

Fremgangsmåden og apparatet ifølge EP offentliggørelsesskrift nr. 0.185.407 er således meget energikrævende, da den anvendte luft skal komprimeres til det angivne høje tryk, luftens opholdstid i fermenteringsvæsken er begræn-30 set, og pumpen medvirker ikke i sig selv til en intim blanding mellem luften og fermenteringsvæsken.

Det fremgår endvidere ikke af skriftet, hvordan separationen af luft og fermenteringsvæske udføres ved den kendte 3 5 fremgangsmåde.

DK 163066 B

4

Det er derfor opfindelsens formål at angive en fremgangsmåde til udførelse af en fermentering, ved hvilken fremgangsmåde, der foretages en trykløs eller næsten trykløs ind-blæsning eller indføring af en eller flere gasser, til-5 vej ebringes en lang opholdstid og dermed opnås en høj ud nyttelsesgrad af den eller de indblæste gasser, foretages en cirkulation af væsken på en sådan måde, at forbruget af energi er lavt, finder en god separation af gassen, henholdsvis gasserne og væsken sted i topdelen af det ved ud-10 øvelse af fremgangsmåden benyttede apparat og benyttes et apparat, hvis design eller udformning er simpel, samt at angive et apparat til brug ved udøvelse af denne fremgangsmåde.

15 Dette formål opnås med en fremgangsmåde af den indledningsvist angivne art, hvilken fremgangsmåde ifølge opfindelsen er særegen ved, at gassen eller gasserne indføres i fermenteringsvæsken i den øvre del af nedstrømsdelen, at fermenteringsvæsken cirkuleres ved hjælp af en i opstrømsdelens 20 nedre ende anbragt pumpe af propellertype, og at fermenteringsvæsken fra opstrømsdelens øvre del overføres til ned-strømsdelens topdel asymmetrisk i forhold til nedstrømsde-lens længdeakse.

25 Ved udøvelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen opnås en lang kontakttid mellem på den ene side gassen eller gasserne og på den anden side væskefasen, idet den eller de indblæste gasser er i kontakt med væskefasen både i nedstrømsdelen og opstrømsdelen. Dette betyder en væsentlig højere 30 udnyttelsesgrad af den eller de indblæste gasser end den udnyttelsesgrad, der er kendt fra udøvelse af fremgangsmåder til fermentering, der udøves under benyttelse af en traditionel og dermed en kendt air-lift reaktor. 1

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen til udførelse af en fermentering gennemføres for det meste kontinuerligt, men kan

DK 163066 B

5 om ønsket gennemføres diskontinuerligt eller chargevis.

Det er fordelagtigt i forbindelse med fremgangsmåden ifølge opfindelsen, at gassen eller gasserne umiddelbart efter 5 indføringen passerer i det mindste et mikserelement, fortrinsvis i det mindste en statisk mikser.

Mængden af den gas, der med fordel kan dispergeres eller opblandes i væsken afhænger af det hydrostatiske tryk. Der-10 for vil det ved høje apparater være en fordel med flere steder for tilsætning af gas eller gasser i nedstrømsrøret.

Det eneste krav til hver indføring er, at der umiddelbart efter indføringen er placeret et statisk blandeelement eller en statisk mikser til dispersion af gassen eller gas-15 serne i væsken.

Gassen eller gasserne vil ved udøvelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen typisk blive tilført i den øvre ende af nedstrømsdelen. Ved at indføre gassen eller gasserne på 20 dette sted eller umiddelbart derefter set i strømningsretningen, opnår man en næsten trykløs indføring, idet gassen eller gasserne kun skal overvinde et hydrostatisk tryk på nogle få meter. Gassen eller gasserne kan indføres ved hjælp af en særlig gasfordeler, der sørger for fordeling på 25 tværs af nedstrømsrøret. Finfordelingen af gassen eller gasserne i fermenteringsvæsken sker ved hjælp af mikserelementer, såsom statiske mikserelementer, placeret umiddelbart nedenfor gasindføringen. Væskestrømmen i nedstrømsdelen skal være passende høj, så al den indblæste gas rives 30 med gennem de statiske miksere. Her sker så en finfordeling af gassen således, at man får en masse små gasbobler dis-pergeret eller opblandet jævnt i fermenteringsvæsken. Boblerne bliver ført med væskestrømmen ned gennem nedstrømsdelen og videre gennem U-bøjningsdelen til opstrømsdelen. Der 35 kan være placeret en eller flere statiske miksere i nedstrømsdelen, så gasboblerne bliver genfordelt flere gange i

DK 163066B

6 fermenteringsvæsken.

Ved udøvelse af fremgangsmåden har gasboblerne i fermenteringsvæsken en tendens til at undergå en sammensmeltning 5 til større enheder (koalescens). Denne tendens er med til at gøre traditionelle og dermed kendte air-lift reaktorer ineffektive, idet gasboblerne bliver større og større op gennem opstrømsdelen, dels som følge af sammensmeltning, dels på grund af et mindsket hydrostatisk tryk. Ved udøvei-10 se af fremgangsmåden ifølge opfindelsen modvirkes denne tendens i opstrømsdelen ved, at der er indplaceret statiske blandere eller miksere med passende mellemrum, som afhænger af det anvendte medium eller den anvendte væske. 1 ned-strømsdelen modvirkes tendensen til øget boblestørrelse af 15 det stadigt øgede hydrostatiske tryk. I det omfang denne effekt ikke kan opveje koalescensen af gasbobleme, sørges der for en genfordeling af gasboblerne ved hjælp af statiske blandere.

20 Ved udøvelsen af fremgangsmåden anvendes med fordel en propelpumpe, hvis propelblade er konstrueret til at pumpe en blanding af væske og gas eller gasser.

Pumpen er fortrinsvis placeret i overgangen mellem ned-25 strøms- og opstrømsdelen, da den her kan tjene til at give en redispersion af gassen eller gasserne i fermenteringsvæsken.

Det er endvidere fordelagtigt i forbindelse med fremgangs-30 måden, at der udtages fra fermenteringen hidrørende biomasse, fortrinsvis fra en i alt væsentligt gasboblefri fermenteringsvæske, hvilket især findes ved den nedre ende af nedstrømsdelen. 1

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen føres opstrømsdelen via en bøjning tangentielt ind på en cylinder, som har en

DK 163066 B

7 diameter, der er større end nedstrømsdelens diameter, hvilken cylinder er forbundet med nedstrømsdelen ved hjælp af et konisk overgangsstykke. Dette tjener til at give en god separation af fermenteringsvæske og gasbobler, idet der 5 virker centrifugalkræfter i bøjningen, og i den cylindriske del opstår der en kraftig cirkulation af fermenterings-væsken med dertil hørende centrifugalkræfter. Dermed er et af de store problemer ved air-lift reaktorer løst ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen på en meget enkel måde, nem-10 lig separation af gas- og væskefase.

Det indledningsvist angivne apparat er ifølge opfindelsen særegent ved, at organerne til indføring af gassen eller gasserne er anbragt i den øvre ende af nedstrømsdelen, at 15 pumpen er af propellertypen og er anbragt i den nedre ende af opstrømsdelen, og at opstrømsdelens øvre ende via en bøjning er indført horisontalt og tangentielt i den nedre ende af topdelens cylinder. 1 2 3 4 5 6

Det angivne apparat sikrer en lang opholdstid for luften i 2 fermenteringsvæsken, og det er energibesparende i forhold 3 til kendte apparater, da der kun kræves et lavt tryk for at 4 indføre luften i fermenteringsvæsken. Endvidere opnås ved 5 den angivne udformning af opstrømsdelens indføring i topde- 6 len en god adskillelse mellem fermenteringsvæsken og den ved fermenteringen forbrugte gas, og den dannede biomasse kan på sikker måde udtages fra den nedre ende af nedstrømsdelen.

30 Underkravene angiver fordelagtige udførelser af apparatet.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen vil blive forklaret nærmere nedenfor under henvisning til tegningen, der viser en foretrukken udførelsesform for et apparat til brug ved ud-35 øvelse af fremgangsmåden ifølge opfindelsen.

DK 163066 B

8 På tegningen viser fig. 1 en udførelsesf orm for et apparat ifølge opfindelsen set fra siden og for store deles vedkommende 5 tillige set i snit og fig. 2 det i fig. 1 viste apparat set fra oven.

I fig. 1 betegner 1 en udførelsesform for apparatet ifølge 10 opfindelsen. 2 betegner dets nedstrømsdel, 3 dets U-bøj-ningsdel og 4 dets opstrømsdel. Nedstrømsdelen 2, U-bøj-ningsdelen 3 og opstrømsdelen 4 udgør tilsammen apparatets U-del, der her og i det følgende er betegnet med 2, 3 og 4.

5 betegner dets topdel, medens 6 er en af luf tningskanal. 7 15 betegner et første organ til indføring af luft, 8 et andet organ til indføring af en gas og 9 et oxygentilførselsorgan til indføring af oxygen, idet herved bemærkes, at luft som bekendt er en blanding af gasser, og at oxygen er et eksempel på en gas. 11 betegner et rør til tilførsel af fermen-20 teringsvæske, vand, næringssalte og/eller mikroorganismer, såsom bakterier, og 10 et rør til udtagning af for eksempel biomasse, eller en efter en fermentering foreliggende fermenteringsvæske. 12 betegner en in-line pumpe. 13, 14, 15, 16, henholdsvis 17 betegner hver for sig et mikserelement, 25 såsom en statisk mikser.

1 fig. 2 betegner 4, 5 og 6 det samme som i fig. 1. I fig.

2 er der blandt andet illustreret den nedenfor, i forbindelse med omtalen af topdelen 5 omtalte tangentielle indfø- 30 ring af opstrømsdelen 4 via en bøjning.

For at give et indtryk af de dimensioner et apparat 1 ifølge opfindelsen eksempelvis kan have, kan nævnes, at dets totale højde kan være 40 m, og at dets bredde kan være 6,6 35 m, idet der ved dets bredde forstås afstanden mellem de længst fra hinanden værende dele af nedstrømsdelens 2 og

DK 163066 B

9 opstrømsdelens 4 vægge. Den indvendige diameter, d, af ned-strømsdelen 2, henholdsvis af opstrømsdeleri 4 kan i begge tilfælde være 1,65 m. Radien i bøjningen ved enden af ned-strømsdelen 2, henholdsvis opstrømsdelen 4 kan være 1,5 x 5 d.

Apparatet 1 ifølge opfindelsen giver en lang kontakttid mellem på den ene side gassen eller gasserne og på den anden side væskefasen, idet den eller de indblæste gasser er 10 i kontakt med væskefasen både i nedstrømsdelen 2 og opstrømsdelen 4. Dette betyder en væsentlig højere udnyttelsesgrad af den eller de indblæste gasser end den udnyttelsesgrad af den eller de indblæste gasser, der er kendt fra de traditionelle air-lift reaktorer.

15

Topdelen 5 af apparatet 1 er udformet, så opstrømsdelen 4 via en bøjning føres tangentielt ind på siden af en cylinder, som har en diameter, der er større end nedstrømsdelens 2 diameter, hvilken cylinder er forbundet med nedstrømsde-20 len 2 ved hjælp af et konisk overgangsstykke. Denne specielle konstruktion er med til at give en god separation af væske og gasbobler, idet der virker centrifugalkræfter i bøjningen, og i den cylindriske del opstår der en kraftig cirkulation af væsken med dertil hørende centrifugalkræf-25 ter. Dermed er et af de store problemer ved air-lift reaktorer løst på en meget enkel måde, nemlig separation af gas- og væskefase.

Gassen eller gasserne indføres i toppen af nedstrømsdelen 30 2. Ved at indføre gassen eller gasserne i toppen af ned strømsdelen 2 opnår man en næsten trykløs indføring, idet gassen kun skal overvinde et hydrostatisk tryk på nogle få meter. Gassen kan indføres ved hjælp af en særlig gasfordeler, der sørger for fordeling på tværs af nedstrømsdelen 2.

35 Finfordelingen af gassen eller gasserne i væsken sker ved hjælp af mikserelementer, såsom statiske mikserelementer,

DK 163066 B

10 13, henholdsvis 15 placeret umiddelbart nedenfor gasindføringen.

Claims (5)

1. Fremgangsmåde til udførelse af en fermentering, ved hvilken fremgangsmåde der foretages en indførsel og en ef- 5 terfølgende opblanding af en eller flere gasser i en fermenteringsvæske, som indbringes i et apparat af loop-reaktortypen, hvilket apparat har en topdel og en af en ned-strømsdel, en U-bøjningsdel og en opstrømsdel bestående U-del, idet fermenteringsvæsken cirkuleres i apparatet af en 10 i U-delen anbragt pumpe, kendetegnet ved, at gassen eller gasserne indføres i fermenteringsvæsken i den øvre del af nedstrømsdelen (2), at fermenteringsvæsken cirkuleres ved hjælp af en i opstrømsdelens (4) nedre ende anbragt pumpe af propel ler type, og at ferment er ingsvæsken fra 15 opstrømsdelens (4) øvre del overføres til nedstrømsdelens (2) topdel (5) asymmetrisk i forhold til nedstrømsdelens (2) længdeakse.

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet 20 ved, at gassen eller gasserne opblandes i fermenterings- væsken ved hjælp af et eller flere i nedstrømsdelens (2) øvre ende og i opstrømsdelens (4) nedre ende anbragte mikserelementer, idet der fortrinsvis anvendes statiske miksere (13, 14, 15 henholdsvis 16, 17). 25

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at der fra fermenter ingsvæsken i nedstrømsdelens (2) nedre ende udtages fra fermenteringen hidrørende biomasse, der i det mindste i det væsentlige består af mi- 30 kroorganismecellemasse. 1 Apparat til brug ved udøvelse af den i krav 1 omhandlede fremgangsmåde, hvilket apparat er af loop-reaktortypen og har en topdel (5) og en af en i hovedsagen lodret ned- 35 strømsdel (2), en U-bøjningsdel (3) og en i det væsentlige lodret opstrømsdel (4) bestående U-del, en i U-delen an- DK 163066 B 12 bragt pumpe (12), der er indrettet til at kunne cirkulere en fermenteringsvæske i apparatet, og organer til indføring af fermenteringsvæske og til indføring af en eller flere gasser i fermenteringsvæsken, hvorhos topdelen (5) udgøres 5 af en cylinder, som har væsentligt større diameter end ned-strømsdelen (2) og er sluttet til denne gennem en kegle, kendetegnet ved, at organerne (7, 8, 9) til indføring af gassen eller gasserne er anbragt i den øvre ende af nedstrømsdelen (2), at pumpen (12) er af propellertypen 10 og er anbragt i den nedre ende af opstrømsdelen (4), og at opstrømsdelens (4) øvre ende via en bøjning er indført horisontalt og tangentialt i den nedre ende af topdelens (5) cylinder.

5. Apparat ifølge krav 4, kendetegnet ved, at apparatet har et eller flere i nedstrømsdelens (2) øvre ende og i opstrømsdelens (4) nedre del anbragte mikserelementer, fortrinsvis statiske miksere (13, 14, 15 henholdsvis 16, 17). 20

6. Apparat ifølge krav 4 eller 5, kendetegnet ved, at apparatet i nedstrømsdelen (2) nedre ende har organer (10), der er udformet til udtagning af biomasse, især mikroorganismecellemasse, som hidrører fra fermenteringen. 25