DE2505747B2 - Belüften von flüssigen Medien in einem Bioreaktor zur Züchtung von Mikroorganismen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum -» Belüften von flüssigen Medien in einem kugelförmigen Bioreaktor zur Züchtung von Mikroorganismen mit Druckluft, bei dem mit der noch unter erhöhtem Druck stehenden Abluft eine Abluftturbine angetrieben wird. .'")

Bei der Züchtung von Mikroorganismen werden große Luftmengen benötigt. Arbeitet man bei der Fermentation unter Normaldruck, so ist der Aufwand an Energie und Bioreaktorvolumen besonders groß. Bei der Belüftung unter erhöhtem Druck nach dem in Airlift-Verfahren (Luftheberprinzip) müssen zur Ausnützung des Sauerstoffs der Luft sehr hohe Reaktionsgefäße, sogenannte Schlaufenreaktoren, verwendet werden, oder es muß mit reinem Sauerstoff gearbeitet werden, was die Risiken einer Explosions- r> gefahr einschließt. Bei Schlaufenreaktoren sind zur Überwindung des hydrostatischen Drucks Kompressoren mit hoher Leistungsaufnahme notwendig.

Bei kugelförmigen, als Druckgefäß ausgebildeten Bioreaktoren reicht zur Belüftung eines gleichen Volumens Flüssigkeit bei gleichzeitiger Zwangsumwälzung eine geringere Luftmenge und niedrigerer Druck aus. Die verdichtete Luft wird im Bioreaktor gekühlt zugeführt und aus ihm entspannt ins Freie geleitet. 4")

Die Sauerstoffausbeute ist eine Funktion der eingeblasenen Luftmenge. Je größer die Luftmenge, desto schlechter wird aber die Sauerstoffausnutzung, da die Verweilzeit der Luft im Reaktionsbehälter kleiner wird. Beispielsweise beträgt die Sauerstoffausnutzung bei zwei Volumen Luft pro Volumen Flüssigkeit und Minute (2 vvm) nur 24%, während sie bei 0,8 vvm jedoch 55% beträgt. Deshalb versucht man neuerdings im Bioreaktor (Fermenter) unter Druck zu arbeiten, da sich in der Regel die Produktivität bzw. Ausbeute erhöht, weil diese in vielen Fällen direkt proportional zur in Lösung gebrachten Sauerstoffmenge ist.

Die zur Belüftung ntowendige Energie ist bei isothermer Kompression proportional In (P₁Zp₀) mit p, bo und ρ,, dem Druck am Kompressorausgang und am Kompressoreingang. Bei höherem Fermentereingangsdruck ist also mehr Kompressionsenergie aufzuwenden. In einem Airlift-Fermenter wird außer zur Überwindung des hydrostatischen Drucks die Druck- b5 energie größtenteils in kinetische Energie umgesetzt, die der Flüssigkeitsumwälzung im Fermenter dient.

Wegen des niedrigen hydrostatischen Drucks im Kugelbioreaktor tritt dort lediglich ein Druckabfall in der Größenordnung von 0,5 atm auf. Bei hohem, vom Standpunkt der Produktivität erwünschten Eingangsdruck verbleibt in der Luftmenge viel Restenergie, die im allgemeinen ungenutzt blieb.

Man hat aber bereits zur Verbesserung der Energieausbeute vorgesehen (DD-PS 100016), den Fermentationsprozeß mit einem Gasturbinenprozeß derart zu kombinieren, daß die, vorzugsweise zweistufig verdichtete Luft des Gasturbinenprozesses oder ein Teil davon zur Fermentation benutzt und nach dem Freisetzen aus der Fernieiitationsflüssigkeit, insbesondere wegen der nicht umgesetzten Natursubstrate und Brenngase, der Verbrennung und/oder den Rauchgasen des Gasturbinenprozesses zugeführt und, vorzugsweise zweistufig, entspannt und ins Freie geleitet wird. Die aus dem Bioreaktor freigesetzte Luft gelangt daher zur Erhitzung in eine Brennkammer und zur arbeitsleistenden Entspannung von dieser in eine Entspannungsturbine, sofern sie nicht direkt in die Entspannungsturbine geleitet wird. Die oder jede Entspannungsturbine kann ihrerseits einen mechanisch angekoppelten Verdichter für die dem Bioreaktor und der Verbrennungskammer zuzuführende Luft antreiben.

Der technische Aufwand für die Vereinigung des offenen Gasturbinenprozesses mit dem Fermentationsprozeß ist apparativ aufwendig und rechtfertigt sich höchstens bei sehr großen Anlagen. Die Prozeßführung wird kompliziert und arbeitet nur bei aufwendiger Regelung unbeaufsichtigt hinreichend betriebssicher. Die durchgesetzten Luftmengen und die aus der Verbrennung von Öl od. dgl. in den Brennkammern erzeugte Wärmeenergie müssen so groß sein, daß die selbsterzeugte Energie zum Antrieb der Verdichter völlig ausreicht, insoweit der Gasturbinenprozeß also im Kraftwerksprozeß zur vollständigen Eigenversorgung ausgelegt sein muß. Für kleinere, besonders betriebssicher sowie einfach und übersichtlich aufzubauende Fermentationsaniagen kommt eine so aufwendige Kombination mit einem Gasmaschinenprozeß nicht in Frage.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Verbesserung der Energieausbeute beider Züchtung von Mikroorganismen in einem Biokugelreaktor bei hoher Produktivität durch arbeitsleistende Entspannung der aus dem Reaktor austretenden Luft mit einfachen Mitteln zu verbessern, so daß die Energierückgewinnung ohne großen apparativen und regelungstechnischen Aufwand möglich ist.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung für das eingangs genannte Verfahren dadurch gelöst, daß mit der Abluftturbine ein Stromgenerator und mit dem erzeugten Strom der Rührmotor des Reaktors teilweise oder der Motor eines mechanischen Schaumzerstöirers oder zum Teil der Motor eines Luftkompressors mitangetrieben wird. Durch den zunächst unzweckmiißig erscheinenden Umweg über die Stromerzeugung ist die Fortleitung der Energie an die als einfache Elektromotore auszubildenden Antriebsmotore der Hilfsaggregate und die Aufteilung der Energie auf diese besonders unproblematisch und einfach. Aufwendige Rohrleitungen und Transmissionen entfallen und bei Ausfall der Turbine kann die ganze Stromversorgung der Antriebsmotore nach elektrischer Umschaltung sofort in herkömmlicher Weise aus dem Stromnetz erfolgen. Bestehende Anlagen können ohne größere

Schwierigkeit auf das erfindungsgemäße Verfahren umgestellt werden.

Für einen Fermenter mit 100 m' Arbeitsvolumen und einer Produktivität von 5 kg/m^l · h Hefe benötigt man für die verschiedenen Belüftungssysteme i. a. etwa folgende Energiemengen:
Airlift-Fermenter 1491kW

Druckloser Fermenter 396 kW

Druckfermemter mit erfindungsgemäßer
Energierückgewinnung 284 kW

Das erfindungsgemäße Verfahren reduziert also die für die Belüftung zu installierende Leistung gegenüber dem Airlift-Ferm-jnter um das 5,25fache und erbringt überraschenderweise gegenüber dem drucklosen Fermenter auch bei Berücksichtigung aller Verluste der Energierückgewinnung (ca. 30%) noch eine Verbesserung um das 1,4fache trotz der gegenüber dem Gasturbinenprozeß thermodynamisch ungünstigeren Arbeitsweise.

Überraschend ist aber nicht nur die sehr hohe Reduktion der zu installierenden Leistung gegenüber dem Airlift-Verfahren und dem drucklosen Verfahren, sondern auch, daß jetzt Fermentationsverfahren wirtschaftlich arbeiten können, die es bisher wegen des Energieaufwandes und der Verluste flüchtiger Kohlenwasserstoffe im Abgas nicht konnten. Solche Verfahren sind beispielsweise die Herstellung von Einzellproteinen mit flüchtigen Kohlenwasserstoffen, wie Methan, aber auch Methanol, Essigsäure etc. zur Deckung der Eiweißlücke.

Das Verfahren nach der Erfindung ist an Hand einer Zeichnung näher beschrieben, die ein Blockschaltbild einer Kugelfermenteranlage zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.

Der Kugelreaktor 1, in der Biotechnik Fermenter genannt, ist am unteren Ende mit einem Rühr- oder Mischwerk 2 versehen, welches mit Hilfe eines Elektromotors 3 angetrieben wird. Für den Luftzugang ist eine Luftverteilervorrichtung bzw. Begasungsleitung 4 eingebaut. Am oberen Ende des Fermeniers befindet sich ein mechanischer Schaumzerstörer 5, der mittels eines Elektromotors 6 angetrieben wird. Die erforderliche Druckluft wird mittels eines Kompressors 7 erzeugt, der durch einen Motor 8 angetrieben wird. Der Kompressor 7 saugt durch eine Luftansaugleitung 9 Luft an und gibt sie über eine Austrittsleitung 10 an den Fermenter ab, aus dem sie durch eine Abluftleitung 11 mit Überdruck austritt. An die Abluftleitung 11 ist eine Abluftturbine 12 angeschlossen, die einen Generator 13 zur Erzeugung elektrischer Energie antreibt. Die entspannte Abluft tritt aus der Abluftturbine 12 od. dgl. Kraftmaschine über einen Stutzen 14 aus.

Die zu komprimierende Luft tritt mit einem Druck P_n über die Luftansaugleitung 9 in den Kompressor 7 ein. Hier wird sie auf einen Druck /?, komprimiert und geht so über die Austrittsleitung 10 durch die Begasungsleitung 4 in den Fermenter. Sie wird beim Austritt sogleich von dem Mischwerk 2 erfaßt und verteilt. Durch eine Drosselung der austretenden Abluft durch ein Ventil oder die Abluftturbine 12 bildet sich im Fermenter ein mittlerer Druck von P₁-Ap aus, mit Ap dem Druckabfall. Die austretende Druckluft verläßt nach Zerteilung des eventuell vorhandenen Schaumes über den mechanischen Schaumzerstörer 5 den Fermenter über die Abluftleitung 11, in der nun ein Druck von /;,-Ap herrscht. Dieser Druck kann jetzt so hoch gewählt sein, daß der Betrieb einer Abluftturbine 12 sinnvoll ist, die die Abluft auf Atmosphärendruck p„ arbeitsleistend entspannt und sie über die Stutzen 14 in die Atmosphäre abgibt. Die Ablufttuibine 12 ist nun in der Lage, einen Generator 13 anzutreiben, der elektrische Energie liefert. Diese elektrische Energie wird dazu verwendet, den Elektromotor 3 des Rühr- oder Mischwerks 2 des Kugelreaktors 1 teilweise oder den Elektromotor 6 des mechanischen Schaumzerstörers 5 oder zum Teil den Motor 8 des Kompressors 7 mitanzutreiben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Belüften von flüssigen Medien in einem kugelförmigen Bioreaktor zur Züchtung ί von Mikroorganismen mit Druckluft, bei dem mit der noch unter erhöhtem Druck stehenden Abluft eine Abluftturbine angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Abluft'urbine ein Stromgenerator und mit dem erzeugten Strom der i<> Rührmotor des Reaktors teilweise oder der Motor eines mechanischen Schaumzerstörers oder zum Teil der Motor des Luftkompressors mitangetrieben wird.