NL8901649A

NL8901649A - Bio-technological multi-stage reactor - has alternate walls extending to and short of bottom forming chambers with mouthpieces

Info

Publication number: NL8901649A
Application number: NL8901649A
Authority: NL
Original assignee: Rijkslandbouwhogeschool
Priority date: 1989-06-29
Filing date: 1989-06-29
Publication date: 1991-01-16

Abstract

Bio-technological processes are carried out in a multi-stage reactor with an internal circuit. One or more walls round the circuit extend to the bottom, while between the outside wall of the circuit and the nearest wall is a further wall ending clear of the bottom, and similar walls are mounted between those in successive pairs further out. The reactor and chambers are formed by the walls extending to the bottom and having one or more mouthpieces. Feed and discharge pipes are connected to the reactor inner tube and the outside wall, or vice versa.

Description

Meertraps-loopreactor met inwendige loop alsmede werkwijze voor het uitvoeren van (bio)technologische processen met behulp van een diergelijke meertraps-loopreactor.Multistage loop reactor with internal loop as well as a method for carrying out (bio) technological processes using an animal multistage loop reactor.

De uitvinding heeft betrekking op een meertraps-loopreactor met inwendige loop, welke geschikt is voor het uitvoeren van (bio)technologische processen, welke zich in meerfasen-systemen afspelen.The invention relates to a multistage loop reactor with an internal loop, which is suitable for carrying out (bio) technological processes that take place in multiphase systems.

Loopreactoren worden uitgebreid beschreven in "Biotechnology" van J.J. Rehm en G. Reed, deel 2, "Fundamentals of Biochemical Engineering", VCH, Weinheim (1985), hoofdstuk 21, getiteld "Biochemical Loop reactors", blz. 465-517 alsook in de internationale octrooiaanvrage 87/ΟΟΟ35. In het algemeen is er sprake van een loopreactor wanneer er in de reactor een circulatiestroming optreedt, welke veroorzaakt wordt door een dichtheidsverschil tussen enerzijds de disperse en anderzijds de continue fase. In het geval van een air-lift loopreactor is de disperse fase gasvormig en in het geval van een liquid-impelled loopreactor is de disperse fase vloeibaar. In dergelijke reactóren kan voorts een derde fase in de vorm van een dragermateriaal voorkomen, waarop of waarin een (bio)katalysator is aangebracht of ingesloten.Loop reactors are described in detail in "Biotechnology" by J.J. Rehm and G. Reed, Part 2, "Fundamentals of Biochemical Engineering", VCH, Weinheim (1985), Chapter 21, entitled "Biochemical Loop Reactors", pp. 465-517 as well as in International Patent Application 87/35. In general, a loop reactor occurs when a circulation flow occurs in the reactor, which is caused by a density difference between the disperse on the one hand and the continuous phase on the other. In the case of an air-lift loop reactor, the disperse phase is gaseous, and in the case of a liquid-impelled loop reactor, the disperse phase is liquid. In such reactors, a third phase can furthermore exist in the form of a support material, on or in which a (bio) catalyst has been applied or included.

Meer in het bijzonder zijn loopreactoren voorzien van hetzij een externe loop, zoals weergegeven in fig. 1, hetzij een interne loop, zoals weergegeven in fig. 2. Voorts kunnen liquid-impelled loopreactoren worden bedreven met een disperse fase, welke zwaarder is dan de continue fase ("downflow") of met een disperse fase, welke lichter is dan de continue fase ("upflow").More specifically, loop reactors are provided with either an external loop, as shown in Figure 1, or an internal loop, as shown in Figure 2. Furthermore, liquid-impelled loop reactors can be operated with a disperse phase heavier than the continuous phase ("downflow") or with a disperse phase, which is lighter than the continuous phase ("upflow").

De algemeen bekende air-lift loopreactoren bezitten een aantal belangrijke voordelen boven van een roerinrichting voorziene reactoren. Voorbeelden van dergelijke voordelen zijn de eenvoudige constructie en lage storingsgevoeligheid van de reactor, een goede en regelbare fase-scheiding in de topsectie van de reactor, een groot specifiek oppervlak met een laag energieverbruik, een eenvoudig regelbare warmteuitwisse-ling, een combinatie van gecontroleerde stroming en goede mengeigen-schappen alsook een goede bereikbaarheid voor meet- en regelapparatuur.The well known air-lift loop reactors have a number of important advantages over agitated reactors. Examples of such advantages are the simple construction and low susceptibility to failure of the reactor, a good and controllable phase separation in the top section of the reactor, a large specific surface with low energy consumption, an easily controllable heat exchange, a combination of controlled flow and good mixing properties as well as good accessibility for measuring and control equipment.

Behalve de bovenvermelde voordelen van de air-lift loopreactor biedt de liquid-impelled loopreactor tevens de mogelijkheid om reactie-evenwichten te verschuiven als gevolg van de verdeling van het substraat en/of het produkt over de waterfase en de niet-waterfase, een verlaagde substraat- en/of produktremming, een eenvoudigere produkt- en/of (bio)-katalysatoropwerking, een stabilisering van de (bio)katalysator, het beperken van de mogelijk ongewenste hydrolyse van het substraat en/of het produkt als ook het verhogen van de concentratie aan substraat, wanneer dit slecht in water oplosbaar is.In addition to the above-mentioned advantages of the air-lift loop reactor, the liquid-impelled loop reactor also offers the possibility to shift reaction equilibria due to the distribution of the substrate and / or the product over the water phase and the non-water phase, a lowered substrate - and / or product inhibition, a simpler product and / or (bio) catalyst work-up, a stabilization of the (bio) catalyst, limiting the possible undesired hydrolysis of the substrate and / or the product, as well as increasing the concentration of substrate, if it is sparingly soluble in water.

Echter vertonen de beide bovenaangeduide typen loopreactoren een menggedrag over de reactor, dat kan worden beschreven als een in fig. 3 weergegeven continu-geroerd, ideaal-gemengd vat. Dit menggedrag levert een nadeel op voor de loopreactor, aangezien door de spreiding in verblijftijd van het substraat, wat in fig. 4 grafisch is uitgebeeld, er altijd een aanzienlijk deel van het substraat verloren gaat. Een tweede nadeel doet zich gelden, wanneer een (bio)katalytische reactie zich in kinetisch opzicht laat beschrijven door produktremming. Aangezien de concentratie aan produkt in de reactor gelijk is aan de gewenste pro-dukteindconcentratie zal de reactie ongewenst traag verlopen. Beide nadelen zijn in theorie op te heffen door het gebruik van volumineuze reactoren of grote hoeveelheden (bio)katalysator, hetgeen de praktische toepassing van deze reactoren beperkt.However, the two types of loop reactors mentioned above exhibit mixing behavior across the reactor, which can be described as a continuously stirred, ideally mixed vessel shown in Figure 3. This mixing behavior presents a disadvantage for the loop reactor, since due to the spread in residence time of the substrate, which is graphically depicted in Fig. 4, a considerable part of the substrate is always lost. A second drawback arises when a (bio) catalytic reaction can be described in a kinetic sense by product inhibition. Since the concentration of product in the reactor is equal to the desired final product concentration, the reaction will proceed undesirably slow. Both drawbacks can in theory be overcome by using bulky reactors or large quantities of (bio) catalyst, which limits the practical application of these reactors.

De bovengeschetste nadelen van de loopreactoren doen zich niet voor in een propstroomreactor, zoals weergegeven in fig. 5· Bij dit type reactor stroomt het substraat en daarmee tevens het gewenste gevormde produkt als een prop door de reactor. Er is dus sprake van een concen-tratiegradiënt van zowel het substraat als het produkt in de lengterichting c.q. stromingsrichting van de reactor. De verblijftijdsspreiding van dit type reactor is in het ideale geval nul, waardoor een optimaal gebruik wordt gemaakt van het substraat. Ook in het geval van produkt-inhibitie heeft dit type reactor voordeel omdat de produktconcentratie pas aan het einde van de reactor de gewenste hoge waarde bezit. Echter is de propstroomreactor voor aerobe processen nog niet realiseerbaar aangezien door het inbrengen van grote hoeveelheden lucht in de reactor de menging wordt bevorderd, terwijl deze reactor ook voor driefasen-systemen, welke in de liquid-impelled loopreactor voorkomen, technisch nog niet haalbaar zijn, aangezien het inbrengen van de disperse fase de menging in de reactor bevordert, hetgeen in beide gevallen ten nadele van het propstroomkarakter is.The drawbacks outlined above of the loop reactors do not arise in a plug flow reactor, as shown in Fig. 5. In this type of reactor, the substrate and thus also the desired shaped product flows as a plug through the reactor. There is therefore a concentration gradient of both the substrate and the product in the longitudinal or flow direction of the reactor. The residence time spread of this type of reactor is ideally zero, making optimal use of the substrate. This type of reactor also has an advantage in the case of product inhibition because the product concentration only has the desired high value at the end of the reactor. However, the plug flow reactor for aerobic processes is not yet feasible, since the introduction of large amounts of air into the reactor promotes mixing, while this reactor is not yet technically feasible for three-phase systems, which occur in the liquid-impelled loop reactor, since the introduction of the disperse phase promotes mixing in the reactor, which in both cases is detrimental to the plug flow character.

Aanvraagster heeft getracht een reactortype te ontwikkelen, dat qua menggedrag tussen "propstroom" en "ideaal gemengd" in ligt en is daarbij uitgekomen op een cascade van ideaal gemengde reactoren, zoals weergegeven in fig. 6. Theoretisch kan worden afgeleid, dat oneindig veel ideale mengers in serie een propstroomreactor opleveren. Deze cascade biedt tevens als voordeel, dat er een optimaal ontwerp mogelijk is (Luyben en Tramper, Biot. Bioeng., 1982, blz. 1217-1220), ook als er gebruik wordt gemaakt van geïmmobiliseerde biokatalysatoren (de Gooijer en Tramper, Bioprocess Engineering, No.4, 1989, blz. 153-158), waardoor het totale reactorvolume van de serie en daarmee een belangrijke component van de produktiekosten minimaal is.The applicant has attempted to develop a reactor type that ranges between "plug flow" and "ideally mixed" in terms of mixing behavior, thereby arriving at a cascade of ideally mixed reactors, as shown in Fig. 6. Theoretically, it can be deduced that an infinite number of ideal mixers in series provide a plug flow reactor. This cascade also offers the advantage that an optimal design is possible (Luyben and Tramper, Biot. Bioeng., 1982, pp. 1217-1220), even when using immobilized biocatalysts (de Gooijer and Tramper, Bioprocess Engineering , No. 4, 1989, pp. 153-158), thereby minimizing the total reactor volume of the series and thereby an important component of the production costs.

Gevonden werd een inrichting, waarbij een cascade van loopreac-toren is ondergebracht in één enkel reactorvat, waarvan het principe in de fig. Ja-d resp. fig. 8a-d wordt weergegeven. Meer in het bijzonder is de meertraps-loopreactor volgens de uitvinding gekenmerkt door een loopreactor (2) met interne loop, een of meer daaromheen geplaatste, tot de bodemplaat (3) reikende wanden (4), waarbij tussen de buitenwand van de loopreactor (2) en de meest nabije wand (4) resp. tussen elke twee op elkaar volgende wanden (4) een niet tot de bodemplaat reikende wand (5) is aangebracht en de loopreactor (2) resp. de kamer(s), gevormd door de tot de bodemplaat reikende wand(en) (4) van een of meer mondstukken (6) zijn voorzien, alsmede door een toevoer- c.q. afvoerleiding (7), uitkomende in de inwendige buis van de loopreactor (2) en een afvoer- c.q. toevoerleiding (8), aangebracht aan de buitenwand van de reactor.A device has been found, in which a cascade of loop reactors is housed in a single reactor vessel, the principle of which is shown in Figs. Fig. 8a-d is shown. More in particular, the multistage loop reactor according to the invention is characterized by a loop reactor (2) with an internal loop, one or more walls (4) disposed around it and extending to the bottom plate (3), with the outer wall of the loop reactor (2 ) and the nearest wall (4) resp. a wall (5) not reaching the bottom plate is arranged between each two consecutive walls (4) and the running reactor (2) or. the chamber (s), formed by the wall (s) (4) reaching to the bottom plate, are provided with one or more nozzles (6), as well as by a supply or discharge pipe (7), which exit into the internal tube of the barrel reactor (2) and a discharge or supply pipe (8), mounted on the outer wall of the reactor.

Behalve de bovenaangeduide voordelen met betrekking tot het meng-gedrag van de bovenvermelde cascade wordt er een belangrijke kostenbesparing gerealiseerd bij het ontwerp van de inrichting volgens de uitvinding en kan bovendien de veelal daarin gewenste steriliteit op eenvoudige wijze worden gerealiseerd.In addition to the above-mentioned advantages with regard to the mixing behavior of the above-mentioned cascade, an important cost saving is realized in the design of the device according to the invention and, moreover, the sterility which is often desired therein can be realized in a simple manner.

In de beschrijving worden de volgende figuren vermeld:The description includes the following figures:

Fig. 1 geeft een schematische voorstelling van een loopreactor met een externe loop volgens het downflow-principe weer.Fig. 1 shows a schematic of a loop reactor with an external loop according to the downflow principle.

Fig. 2 geeft een schematische voorstelling van een loopreactor met een interne loop volgens het air-lift principe resp. het upflow-principe weer.Fig. 2 gives a schematic representation of a loop reactor with an internal loop according to the air-lift principle resp. the upflow principle again.

Fig. 3 geeft een schematische voorstelling van een "continuous stirred tank reactor" (CSTR) weer.Fig. 3 is a schematic representation of a continuous stirred tank reactor (CSTR).

Fig. 4 geeft een grafische voorstelling van de verblijftijdsprei-ding van de substraat- en de produktfraktie in een CSTR weer; de E-kromme geeft de substraatfraktie en de F-kromme geeft de produktfraktie weer.Fig. 4 graphically depicts the residence time distribution of the substrate and product fraction in a CSTR; the E curve represents the substrate fraction and the F curve represents the product fraction.

Fig. 5 geeft een schematische voorstelling van een propstroomreac-tor weer.Fig. 5 is a schematic representation of a plug flow reactor.

Fig. 6 geeft een schematische voorstelling van een cascade van ideale mengers weer.Fig. 6 is a schematic representation of a cascade of ideal mixers.

Fig. Ja-d geven het bovenaanzicht van de in fig. 8a-d geïllustreerde uitvoeringsvormen van de inrichting volgens de uitvinding weer.Fig. Yes-d show the top view of the embodiments of the device according to the invention illustrated in Fig. 8a-d.

Fig. 8a-d geven een doorsnede van een viertal mogelijke cylindri- sche uitvoeringsvormen van de inrichting volgens de uitvinding weer.Fig. 8a-d show a cross-section of four possible cylindrical embodiments of the device according to the invention.

Fig. 9 geeft een doorsnede van een meertraps-air-lift reactor met drie kamers volgens de uitvinding weer.Fig. 9 is a sectional view of a three-stage multi-stage air-lift reactor according to the invention.

Voor het opbouwen van een meertraps-loopreactor met het air-lift-principe volgens de uitvinding kan worden uitgegaan van fig. 2, d.w.z. een air-lift loopreactor met interne loop. Door nu om deze reactor, die in feite, van boven gezien, schematisch uit twee concentrische cirkels bestaat, nog twee cirkels te plaatsen, ontstaan twee loopreactoren in serie, of, indien dit wordt herhaald, drie of meer loopreactoren in serie. Het reactormedium kan, komende vanuit de eerste reactor, door een eenvoudige overloop verplaatst worden naar de tweede reactor en zo verder door de serie heen worden geleid. De reactorwanden van de binnenin gelegen reactoren kunnen eenvoudig van constructie zijn, aangezien de hydrostatische druk voornamelijk op de buitenste wand wordt uitgeoefend. Dit biedt de mogelijkheid om een bestaand geroerd vat om te bouwen tot een inrichting volgens de uitvinding.For the construction of a multistage loop reactor with the air-lift principle according to the invention, it is possible to start from Fig. 2, i.e. an air-lift loop reactor with an internal loop. By now placing two more circles around this reactor, which actually consists of two concentric circles, seen from above, two loop reactors in series or, if repeated, three or more loop reactors in series are created. The reactor medium, coming from the first reactor, can be moved through a simple overflow to the second reactor and thus passed through the series. The reactor walls of the inner reactors can be of simple construction since the hydrostatic pressure is mainly applied to the outer wall. This offers the possibility of converting an existing stirred vessel into a device according to the invention.

De plaats van de op- en neergaande stroom is van belang voor het menggedrag van de afzonderlijke reactoren. Het wordt optimaal geacht om in geval van een stroom door de serie van binnen naar buiten, de gasfase in het geval van een air-lift loopreactor of de disperse fase van een upflow liquid impelled loopreactor in te brengen in de verder naar buiten gelegen deel van de kamer, waardoor een medium uit eerder in de serie geplaatste reactoren direkt wordt opgemengd in de neergaande stroom. Voor de downflow liquid impelled loopreactor is dit de verder naar binnen gelegen deel van de kamer. Indien de stroom van substraat van buiten naar binnen gaat, zijn de inbrengplaatsen van de disperse fase juist andersom.The location of the up and down flow is important for the mixing behavior of the individual reactors. It is considered optimal to introduce the gas phase in the case of an air-flow loop reactor or the disperse phase of an upflow liquid impelled loop reactor in the more remote part of the series from the inside to the outside. the chamber, whereby a medium from reactors placed earlier in the series is directly mixed in the downflow. For the downflow liquid impelled loop reactor this is the further inward part of the chamber. If the substrate flow goes from the outside in, the insertion sites of the disperse phase are just the other way around.

Meer in het bijzonder wordt de inrichting volgens de uitvinding in de fig. 7a~d resp. fig. 8a-d nader geïllustreerd.More particularly, the device according to the invention is shown in Figs. Figures 8a-d are further illustrated.

In fig. 7a wordt het schematische bovenaanzicht weergegeven van de in fig. 8a geïllustreerde doorsnede van een air-lift of liquid upflow inrichting (1) volgens de uitvinding, welke gekenmerkt wordt door een loopreactor (2) met interne loop, een drietal tot de bodemplaat (3) reikende concentrische wanden (4), waarbij tussen de buitenwand van de loopreactor (2) en de meest nabije wand (4) resp. tussen elke twee op elkaar volgende wanden (4), een niet tot de bodemplaat reikende wand (5) is aangebracht en de loopreactor (2) en de kamers, gevormd door de buitenwand van de loopreactor (2) en de wanden (4), nabij de bodem van de reactor, elk van een of meer mondstukken (6) zijn voorzien. Voorts omvat deze inrichting een toevoerleiding (7) voor het substraat en een afvoerleiding (8) voor het eindprodukt.Fig. 7a shows the schematic top view of the cross-section illustrated in Fig. 8a of an air-lift or liquid upflow device (1) according to the invention, which is characterized by a loop reactor (2) with internal loop, three to the base plate (3) extending concentric walls (4), whereby between the outer wall of the loop reactor (2) and the nearest wall (4), respectively. between each two consecutive walls (4), a wall (5) not reaching to the bottom plate is arranged and the loop reactor (2) and the chambers, formed by the outer wall of the loop reactor (2) and the walls (4), near the bottom of the reactor, each of one or more nozzles (6) are provided. Furthermore, this device comprises a supply line (7) for the substrate and a discharge line (8) for the end product.

Fig. 7b illustreert het schematische bovenaanzicht van de in fig. 8b weergegeven doorsnede van een liquid downflow inrichting (1) volgens de uitvinding, welke gekenmerkt wordt door een loopreactor (2) met interne loop, een drietal tot de bodemplaat (3) reikende concentrische wanden (4), waarbij tussen de buitenwand van de loopreactor (2) en de meest nabije wand (4) resp. tussen elke twee op elkaar volgende wanden (4) een niet tot de bodemplaat reikende wand (5) is aangebracht en de loopreactor (2) resp. de kamers, gevormd door de buitenwand van een loopreactor (2) en de wanden (4), nabij de bovenzijde van de reactor, elk van een of meer mondstukken (6) zijn voorzien. Voorts omvat de inrichting volgens fig. 8b een toevoerleiding (7) voor het substraat, een afvoerleiding (8) voor het eindprodukt alsook een afvoerleiding (9) voor de bij het bedrijven van de inrichting toegepaste, als disperse fase fungerende vloeistof.Fig. 7b illustrates the schematic plan view of the cross section shown in FIG. 8b of a liquid downflow device (1) according to the invention, which is characterized by a loop reactor (2) with internal loop, three concentric walls extending to the bottom plate (3) ( 4), between the outer wall of the loop reactor (2) and the nearest wall (4), respectively. a wall (5) not reaching the bottom plate is arranged between each two consecutive walls (4) and the running reactor (2) or. the chambers formed by the outer wall of a loop reactor (2) and the walls (4), near the top of the reactor, are each provided with one or more nozzles (6). Furthermore, the device according to Fig. 8b comprises a supply line (7) for the substrate, a discharge line (8) for the end product and a discharge line (9) for the liquid used as a disperse phase during operation of the device.

Naast de in fig. 8a en fig. 8b weergegeven mogelijkheid voor het laten stromen van de continue fase van binnen naar buiten, kan de stromingsrichting worden omgekeerd. Deze uitvoeringsvorm wordt in de fig. "Jc-d en fig. 8c-d geïllustreerd.In addition to the ability to flow the continuous phase from the interior to the exterior shown in Figures 8a and 8b, the direction of flow can be reversed. This embodiment is illustrated in Figs. Jc-d and Figs. 8c-d.

In fig. 7c wordt het schematische bovenaanzicht weergegeven van de in fig. 8c geïllustreerde doorsnede van een air-lift of liquid upflow inrichting (1) volgens de uitvinding, welke gekenmerkt wordt door een loopreactor (2) met interne loop, een drietal tot de bodemplaat (3) reikende concentrische wanden (4), waarbij tussen de buitenwand van de loopreactor (2) en de meest nabije wand (4) resp. tussen elke twee op elkaar volgende wanden (4) een niet tot de bodemplaat reikende wand (5) is aangebracht en de loopreactor (2) resp. de kamers, gevormd door de buitenwand van de loopreactor en de wanden (4), nabij de bodem van de reactor, elk van een of meer mondstukken (6) zijn voorzien. Voorts omvat deze inrichting een toevoerleiding (7) voor het substraat en een afvoerleiding (8) voor het eindprodukt.Fig. 7c shows the schematic top view of the cross section illustrated in Fig. 8c of an air-lift or liquid upflow device (1) according to the invention, which is characterized by a loop reactor (2) with internal loop, three to the base plate (3) extending concentric walls (4), whereby between the outer wall of the loop reactor (2) and the nearest wall (4), respectively. a wall (5) not reaching the bottom plate is arranged between each two consecutive walls (4) and the running reactor (2) or. the chambers formed by the outer wall of the loop reactor and the walls (4), near the bottom of the reactor, are each provided with one or more nozzles (6). Furthermore, this device comprises a supply line (7) for the substrate and a discharge line (8) for the end product.

Tenslotte wordt in fig. 7d het schematische bovenaanzicht geïllustreerd van de in fig. 8d weergegeven doorsnede van een liquid downflow inrichting (1) volgens de uitvinding. Deze is opgebouwd uit een loopreactor (2) met interne loop, een drietal tot de bodemplaat (3) reikende concentrische wanden (4), waarbij in de kamers, gevormd door de buitenwand van de loopreactor (2) en de wanden (4) een niet tot de bodemplaat reikende wand (5) is aangebracht en waarin, nabij de bovenzijde van de reactor, een of meer mondstukken (6) zijn aangebracht.Finally, in fig. 7d the schematic top view is illustrated of the cross-section of a liquid downflow device (1) according to the invention shown in fig. 8d. This consists of a loop reactor (2) with an internal loop, three concentric walls (4) reaching to the bottom plate (3), the chambers formed by the outer wall of the loop reactor (2) and the walls (4). non-bottom plate wall (5) is provided and in which one or more nozzles (6) are arranged near the top of the reactor.

Voorts omvat deze inrichting een toevoerleiding (7) voor het substraat, een afvoerleiding (8) voor het eindprodukt alsmede een afvoerleiding (9) voor de bij het bedrijven van de inrichting toegepaste, als disperse fase fungerende vloeistof.Furthermore, this device comprises a supply line (7) for the substrate, a discharge line (8) for the end product and a discharge line (9) for the liquid used as a disperse phase in the operation of the device.

Bij het toepassen van de "downflow"-inrichting volgens de uitvinding, zoals geïllustreerd in de fig. 8b en 8d, is de bodem van de kamers, gevormd door de buitenwand van de loopreactor (2) en de op elkaar volgende wanden (4) met voordeel aflopend uitgevoerd. Op deze wijze kan de als disperse fase toegepaste vloeistof op effectieve wijze via een op het laagste punt van de bodem aangebrachte leiding worden afgevoerd.When using the downflow device according to the invention, as illustrated in Figs. 8b and 8d, the bottom of the chambers is formed by the outer wall of the loop reactor (2) and the successive walls (4) advantageously descending. In this way, the liquid used as a disperse phase can be effectively discharged through a conduit arranged at the lowest point of the bottom.

De tot de bodemplaat (3) reikende wanden (4) kunnen een gelijke hoogte bezitten. Echter kunnen deze wanden (4) eveneens een ongelijke hoogte bezitten resp. op ongelijke hoogte van een of meer doorstroom-openingen zijn voorzien. Een dergelijke uitvoeringsvorm kan worden toegepast onder bijzondere reactieomstandigheden, zoals het toenemen van de viscositeit van de reactiemassa, om op deze wijze een optimale doorstroming van het produkt door de reactor te bewerkstelligen.The walls (4) reaching to the bottom plate (3) can have an equal height. However, these walls (4) can also have an uneven height, respectively. one or more flow openings are provided at an uneven height. Such an embodiment can be used under special reaction conditions, such as increasing the viscosity of the reaction mass, in order to achieve an optimum flow of the product through the reactor in this way.

Voorts heeft de uitvinding betrekking op een werkwijze voor het uitvoeren van een of meer (bio)chemische processen, waarbij men een inrichting volgens de uitvinding toepast. Behalve de cascade van alleen air-lift loopreactoren of alleen liquid-impelled reactoren volgens de uitvinding kan ook gebruik gemaakt worden van zowel een of meer air-lift en een of meer liquid-impelled loopreactoren binnen een cascade, d.w.z. binnen een inrichting volgens de uitvinding. Met behulp van de inrichting volgens de uitvinding is het bijvoorbeeld mogelijk processen, welke in een aerobe en in een anaërobe trap dienen te worden bedreven, in een enkele reactor te laten plaats vinden. Als voorbeeld wordt het denitri-ficatieproces genoemd, waarbij in het centraal gelegen reactordeel lucht wordt ingeleid, terwijl in de daaromheen liggende kamer al dan niet gerecirculeerde stikstof wordt ingeleid.The invention also relates to a method for performing one or more (bio) chemical processes, in which an apparatus according to the invention is used. In addition to the cascade of only air-lift loop reactors or only liquid-impelled reactors according to the invention, use can also be made of one or more air-lift and one or more liquid-impelled loop reactors within a cascade, ie within a device according to the invention . With the aid of the device according to the invention it is possible, for example, to have processes which must be carried out in an aerobic and in an anaerobic stage take place in a single reactor. The denitri ﬁ cation process is mentioned as an example, in which air is introduced into the centrally located reactor section, while recycled or non-recirculated nitrogen is introduced into the surrounding chamber.

Een prototype van een multiple air-lift reactor met drie kamers wordt in fig. 9 weergegeven. Meer in het bijzonder is deze inrichting (1) opgebouwd uit een loopreactor (2) met een interne loop met een straal van 100 mm, twee daaromheen op een afstand van 50 mm geplaatste, tot de bodemplaat (3) reikende concentrische wanden (4), waarbij tussen de buitenwand van de loopreactor (2) en de op elkaar volgende wanden (4) een tweetal, niet tot de bodemplaat reikende wanden (5) zijn aangebracht en de loopreactor resp. de kamers, gevormd door de buitenwand van de loopreactor en de beide wanden (4) elk van een of meer mondstukken (6) zijn voorzien. Voorts omvat deze inrichting een toevoerleiding (7) voor een substraat, een afvoerleiding (8) voor het eindprodukt en doorstroom-openingen (10) voor het laten doorstromen van het zich in de reactor bevindende vloeibare medium van binnen naar buiten. De doorstroom-openingen (10) in de loopreactor (2) zijn op een hoogte van 300 mm en in de eerste kamer, volgend op de loopreactor, op een hoogte van 240 mm aangebracht en de afvoerleiding (8) is op een hoogte van 171 mm aangebracht .A prototype of a three-chamber multiple air-lift reactor is shown in Figure 9. More specifically, this device (1) is composed of a loop reactor (2) with an internal barrel with a radius of 100 mm, two concentric walls (4) placed at a distance of 50 mm around it and extending to the bottom plate (3). , in which two walls (5) which do not extend to the bottom plate and the running reactor, respectively, are arranged between the outer wall of the loop reactor (2) and the successive walls (4). the chambers formed by the outer wall of the barrel reactor and the two walls (4) are each provided with one or more nozzles (6). Furthermore, this device comprises a supply line (7) for a substrate, a discharge line (8) for the final product and flow-through openings (10) for flowing the liquid medium contained in the reactor from the inside to the outside. The flow-through openings (10) in the loop reactor (2) are arranged at a height of 300 mm and in the first chamber, following the loop reactor, at a height of 240 mm and the discharge pipe (8) is at a height of 171 mm.

De uitvinding wordt aan de hand van het onderstaande berekenings-voorbeeld nader toegelicht; dit voorbeeld dient niet beperkend te worden uitgelegd.The invention is further elucidated on the basis of the calculation example below; this example should not be interpreted restrictively.

BerekeningsvoorbeeldCalculation example

Ten aanzien van een (bio)katalytisch proces, dat zich in kinetisch opzicht door produktremming laat beschrijven, geldt de volgende formuleThe following formula applies to a (bio) catalytic process, which can be described in kinetic terms by product inhibition.

(1) waarin(1) where

Tg de volumetrische omzettingssnelheid; S de substraatconcentratie;Tg the volumetric conversion rate; S the substrate concentration;

Km de Michaeliskonstante; P de produktconcentratie; enKm the Michaelisk constant; P is the product concentration; and

Kj. de produktinhibitiekonstante voorstellen.Kj. propose the product inhibition constant.

Uit deze formule (1) volgt, dat bij een stijgende produktconcentratie de omzettingssnelheid afneemt.From this formula (1) it follows that the conversion rate decreases with an increasing product concentration.

In een ideaal gemengd vat ("continuous stirred tank reactor" = CSTR) is de produktconcentratie overal hetzelfde, en gelijk aan de eindconcentratie, die in het algemeen zo hoog mogelijk zal moeten zijn. Dit betekent een lage omzettingssnelheid en derhalve een benodigd groot reaktorvolume. Bij gebruikmaking van bijvoorbeeld een in Fig.9 weergegeven inrichting volgens de uitvinding, waarbij drie vaten c.q. kamers in serie zijn geschakeld, wordt de produktremming pas in het laatste vat, d.w.z. de laatste kamer van de inrichting volgens Fig.9, significant, op grond waarvan het benodigde totale volume van de reaktor aanzienlijk kleiner behoeft te zijn. Dit aspekt wordt onderstaand met een rekenvoorbeeld aangetoond.In an ideal mixed vessel (continuous stirred tank reactor = CSTR), the product concentration is the same everywhere, and equal to the final concentration, which should generally be as high as possible. This means a low conversion rate and therefore a required large reactor volume. When using, for example, a device according to the invention shown in Fig. 9, in which three vessels or chambers are connected in series, the product inhibition only becomes significant in the last vessel, ie the last chamber of the device according to Fig. 9, on the basis of the required total volume of the reactor of which need to be considerably smaller. This aspect is shown below with a calculation example.

Voor een CSTR resp. voor elke kamer van de inrichting volgens Fig.9 geldt de formule (2)For a CSTR resp. the formula (2) applies to each chamber of the device according to Fig. 9

en wanneer de yield gelijk is aan 1 (d.w.z. 1 mol substraat levert 1 mol produkt) geldt de formule P - SQ- S (3)and when the yield is equal to 1 (i.e. 1 mole of substrate yields 1 mole of product) the formula P - SQ - S (3) applies

Bij combinatie van de formules (1), (2) en (3) kan met de volgende parameters:When combining formulas (1), (2) and (3), the following parameters can be used:

Km = 10 mMKm = 10 mM

Kt = 20 mMKt = 20 mM

S0 = 20 mMS0 = 20 mM

V * 180 1 rmax = 8 mmol/l.dag F =10 1/dag de onderstaande Tabel worden samengesteld aangaande een CSTR (180 1) en een inrichting volgens Fig.9 (180 1).V * 180 1 rmax = 8 mmol / l. Day F = 10 1 / day The Table below are compiled with respect to a CSTR (180 1) and a device according to Fig. 9 (180 1).

TABEL ATABLE A

Substraatconcentratie in de CSTR (V = 180 1) :2,843Substrate concentration in the CSTR (V = 180 1): 2.843

Substraatconcentratie in kamer 1 van inrichting vlg Fig.9 (V=60 1):7,432Substrate concentration in chamber 1 of device according to Fig. 9 (V = 60 1): 7.432

Substraatconcentratie in kamer 2 van inrichting vlg Fig.9 (V=60 1):2,432Substrate concentration in chamber 2 of device according to Fig. 9 (V = 60 1): 2.432

Substraatconcentratie in kamer 3 van inrichting vlg Fig.9 (V=60 1):0,742Substrate concentration in chamber 3 of device acc. To Fig. 9 (V = 60 1): 0.742

Uit de bovenstaande Tabel A volgt, dat de substraatconcentratie S in de laatste kamer (kamer 3) van de inrichting volgens Fig. 9 aanzienlijk lager is dan in de CSTR en derhalve de produktconcentratie dienovereenkomstig groter (zie de formule P = S0 - S).From Table A above, it follows that the substrate concentration S in the last chamber (chamber 3) of the device of FIG. 9 is significantly lower than in the CSTR and therefore the product concentration is correspondingly greater (see the formula P = S0 - S).

Met behulp van de bovenstaande formules (1), (2) en (3) is het eveneens mogelijk het volume van een CSTR te berekenen, welk nodig zou zijn om de in Tabel A aangegeven omzetting van de inrichting volgens Fig. 9 overeenkomstig de uitvinding te bereiken. Dit benodigde volume van de CSTR bedraagt nl. 684,1 1. Ten aanzien van dit volume van 684,1 1 van de CSTR resp. het volume van 180 1. van de inrichting volgens Fig. 9 wordt naar voren gebracht, dat de laatstgenoemde inrichting, ondanks een reaktorvolume van slechts ca. 26% van de CSTR, toch eenzelfde performance als de CSTR bezit.Using the above formulas (1), (2) and (3), it is also possible to calculate the volume of a CSTR, which would be necessary to complete the conversion of the device of FIG. 9 according to the invention. This required volume of the CSTR is 684.1 1. With regard to this volume of 684.1 1 of the CSTR resp. the volume of 180 l of the device according to fig. 9, it is pointed out that the latter device, despite a reactor volume of only about 26% of the CSTR, still has the same performance as the CSTR.

Claims

Multistage loop reactor with internal loop, suitable for carrying out (bio) technological processes, characterized by a loop reactor (2) with internal loop, one or more walls placed around it, reaching to a bottom plate (3) , between the outer wall of the loop reactor (2) and the nearest wall (4), respectively. a wall (5) not reaching the bottom plate (3) is arranged between each two consecutive walls (4) and the running reactor resp. the chamber (s) formed by the wall (s) (4) reaching to the bottom plate, are provided with one or more nozzles (6), as well as by a supply or discharge pipe (7), which exit into the inner tube of the barrel reactor (2) and a discharge or supply pipe (8) fitted to the outer wall of the reactor.

Multistage loop reactor according to claim 1, characterized in that the nozzles (6), viewed from the axis of the reactor (1), are located near the outer wall of the chamber provided with a wall (5) and also near the bottom of the reactor (1 ).

Multistage loop reactor according to claim 1, characterized in that the nozzles (6), viewed from the axis of the reactor (1), are located near the inner wall of the chamber provided with a wall (3) and near the top of the reactor (1). ), which reactor (1) is provided on the bottom side with a discharge pipe (9) for the liquid, which is used as downflow liquid.

Multistage loop reactor according to claim 1, characterized in that the samples (6), viewed from the axis of the reactor (1), are located near the inner wall of the chamber provided with a wall (5) and also near the bottom of the reactor (1 ).

Multistage loop reactor according to claim 1, characterized in that the nozzles (6), viewed from the axis of the reactor (1), are located near the outer wall of the chamber provided with a wall (5) and near the top of the reactor (1). ), which reactor (1) is provided on the bottom side with a discharge pipe (9) for the liquid, which is used as downflow liquid.

Multistage loop reactor according to claim 3 or 5, characterized in that the bottom of the loop reactor (2) and the chamber (s) are formed by the outer wall of the loop reactor (2) and the walls extending to the bottom plate (3) (4) has been descending.

Multistage loop reactor according to one or more of Claims 1 to 6, characterized in that the height of the walls (4) is the same.

Multistage loop reactor according to one or more of Claims 1 to 6, characterized in that the height of the walls (4) is uneven or respectively. the walls (4) are provided with one or more flow openings (9) at an unequal height.

Multistage loop reactor according to one or more of Claims 1 to 8, characterized in that the volume of the chambers formed by the outer wall of the loop reactor (2) and the walls (4) reaching the bottom plate (3) are equal is.

Method for carrying out one or more (bio) chemical processes, characterized in that one of the devices defined in claims 1-9 is used.

Method according to claim 10, characterized in that the device is operated using the air-lift principle.

Method according to claim 10 or 11, characterized in that an aerobic process is carried out in one or more chambers and an anaerobic process in the remaining chambers by means of passing correspondingly suitable gases.