DE3122389C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das im Anspruch 1 angegebene Verfahren zur Durch­ führung der biochemischen Umwandlung einer Flüssigkeits­ masse vermittels Kontakts zwischen derselben und einer Biomasse, die von einem ein Festbett bildenden Träger gehalten wird, wobei Mittel zur wenigstens teilweisen Abtrennung des Gases vorgesehen werden, die das Fest­ bett stützen, wobei ferner die Sauerstoffzufuhr zu der Flüssigkeitsmasse, bevor dieselbe mit der Bio­ masse in Berührung gebracht wird, durch Emulsionierung vermittels Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Gases er­ folgt, und zwar durch Mittel, die derart ausgestaltet sind, daß die Umlaufgeschwindigkeit der Flüssigkeit das Ansaugen des genannten Gases bewirkt. Die Ansprüche 2 bis 5 betreffen Ausgestaltungen des Verfahrens und die Ansprüche 6 bis 10 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der OE-PS 3 26 594 bekannt. Dabei erfolgt lediglich die Begasung einer zu behandelnden, in Form einer geschlossenen Flüssigkeitsmasse vorliegenden Flüssigkeit. Die Mehrzahl der Reaktionen, die eine biochemische Umwandlung mit sich bringen, erfordern einen Zusatz von Sauerstoff unter solchen Bedin­ gungen, die ein möglichst homogenes Vermischen des auf diese Weise erzeugten Mehrphasenmediums gewähr­ leisten. Der Sauerstoffzusatz kann nach unter­ schiedlichen Verfahrensweisen erfolgen, zum Bei­ spiel durch Einleiten von gasförmigem Sauerstoff in die flüssige Masse unter mechanischem bzw. hydraulischem Rühren, Einwirkung eines Flüssigkeits­ strahles, der das Gas der Umgebung mitreißt und in der Flüssigkeitsmasse einen Rühreffekt hervorruft, Berieselung eines Trägers mit der Flüssigkeit, wobei eine Berührungsfläche zwischen der Flüssigkeit und der Luft geschaffen und somit eine gewisse Sauer­ stoffanreicherung erzielt wird.

Bei Anwendung der beiden erstgenannten Verfahren kann ein sehr homogenes Medium nur unter sehr erheb­ lichem Aufwand an mechanischer Energie erzielt werden. Ferner ermöglichen diese beiden Verfahren nicht die Verwendung eines Festbettes, was in vielen Fällen wünschenswert ist.

Bei Anwendung des letztgenannten Verfahrens kann ein Festbett verwendet, jedoch erfordert dieses Ver­ fahren äußerst raumaufwendige Einrichtungen, damit eine hinreichend große Grenzfläche zum Zwecke aus­ reichenden Sauerstoffeintrags geschaffen werden kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gattungs­ gemäßer Art zu schaffen, bei dem eine angemessene und konstante Homogenität des biochemischen Umwandlungs­ mediums erzielt wird, und welche es gestattet, ohne erheblichen Kosten- und Raumaufwand ein Festbett zu verwenden und den Umwandlungsvorgang bedeutend zu be­ schleunigen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 be­ schriebenen Verfahrensschritte gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 5 bezeichnet.

Bei diesem Verfahren mit kontinuierlicher Sauerstoff­ zufuhr zur Flüssigkeitsmasse wird in den Reaktor eine homogene Gas-Flüssigkeitsemulsion eingeleitet, wobei ein stetiger Kontakt zwischen der Flüssigkeit und dem die Biomasse enthaltenden Kontaktbett gewährleistet ist, woraus eine befriedigende biochemische Umwandlung folgt.

Ferner wird durch das Arbeiten mit rückgeführter Flüssigkeit und mit bei jedem Zyklus neu erzeugter Emulsion die dauernde Güte der Mischung sowie eine erhebliche und regulierbare Sauerstoffzufuhr gesichert.

Das für die Sauerstoffzufuhr verwendete Gas kann ge­ gebenenfalls mit Sauerstoff angereicherte atmosphärische Luft oder reiner Sauerstoff sein, wodurch die Reaktionsfähigkeit und der Sauerstoffgehalt der Emulsion erhöht werden. Das Volumenverhältnis zwischen sauerstoffhaltigem Gas und Flüssigkeit beträgt vorzugsweise, wenn auch nicht notwendiger­ weise, weniger als etwa 1 zu 2. Die Flüssigkeits­ masse, in welcher die biochemische Umwandlung er­ folgt, kann eine Masse beliebigen Typs sein. Ins­ besondere kann sie aus einer Lösung umsetzbarer Substanzen aus industriellen Abfallprodukten, Abwasser oder aus anderen Substanzen bestehen, die umgewandelt, wiederverwertbar gemacht oder abge­ schieden werden sollen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 6 bezeichnet. Weiterbildungen der Vorrichtung sind in Anspruch 7 bis 10 beschrieben.

Der biologische Reaktor weist insbesondere Träger­ mittel zum Tragen der Biomasse auf, die in Form eines Festbettes vorliegt. Bevorzugt bestehen die Mittel zum Einleiten des sauerstoffhaltigen Gases aus einem Emulsions-Venturirohr, an dessen Ein­ schnürung das sauerstoffhaltige Gas eingelassen wird und welches derart gestaltet ist, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Einschnürung das Ansaugen des Gases bewirkt, wobei im divergierenden Teil des Venturirohres eine Fein­ emulsion gebildet wird. Um die Homogenität der auf das Biomassenbett aufgerieselten Flüssigkeit zu erhöhen, wird die Gasflüssigkeitsemulsion auf bzw. in diesem Festbett durch Feinverteilungsmittel verteilt, die beispielsweise eine Mehrzahl von Berieselungslöchern aufweisen können. Die wieder­ holte Sauerstoffzufuhr und die Rückführung der Reaktionsflüssigkeit ermöglichen es, Trägermittel für das Festbett zu verwenden, die im Innenraum des Bioreaktors befestigt sind und aus geeigneten Einsatzteilen bestehen, die beispielsweise auf fäulnisfreiem, porösem bzw. plastischem Material gefertigt sind und eine große Kontaktoberfläche aufweisen, auf der die Biomasse gehalten und konzentriert wird.

Die aus dem Bioreaktor austretende Emulsion durch­ strömt ein beispielsweise aus einem engmaschigen Gitter, Zentrifugalabscheider oder dergleichen bestehendes Bauelement, welches dazu geeignet ist, das nicht verbrauchte Gas völlig oder teilweise von der Flüssigkeit abzuscheiden, um die Rückführung derselben zu erleichtern, wobei das genannte Bau­ element ferner dazu beiträgt, die Biomassenträger­ mittel zu halten. Um den Verbrauch an zugeleitetem Sauerstoff zu vermindern, weist der die Biomasse enthaltende Raum einen Sammler auf, der das aus der Emulsion austretende sauerstoffhaltige Gas auffängt und stromaufwärts des Biomassenbettes wieder in die Flüssigkeitsmasse einleitet. Die in seinen wesentlichen Merkmalen in den Ansprüchen bezeichnete Gärvorrichtung ermöglicht es bei Betrieb mit niedrigem Rückführungsprozentsatz Reaktionen mit geringem Sauerstoffverbrauch und äußerst niedrigem Energieaufwand, oder aber bei Betrieb mit hohem Rückführungsprozentsatz Reaktionen mit hohem Sauerstoffverbrauch durchzuführen. Dabei wird in beiden Fällen ein durchaus homogenes emulsioniertes Gemisch aus sauerstoffhaltigem Gas und Flüssigkeit erzielt.

Die Gas-Flüssigkeitskontaktfläche wird durch Emulsionieren außerhalb der Vorrichtung geschaffen und die Berührung zwischen Sauerstoff und auf dem Festbett zu behandelnden Stoff findet ver­ mittels der gebildeten Emulsion innerhalb des Reaktors statt, so daß die Aktivität der zurückgehaltenen Mikro­ organismen voll ausgenutzt wird.

Dank der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Gär- Vorgänge auf einem Festbett durchgeführt werden, ohne daß es erforderlich wäre, große Volumen ein­ zusetzen.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungs­ figur näher beschrieben, die ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt. Hier­ durch wird die Erfindung lediglich erläutert, nicht aber auf das Ausführungsbeispiel beschränkt.

Die Vorrichtung zur Durchführung biochemischer Umwandlungen (Bioreaktor) umfaßt ein Umwandlungs­ gefäß (Reaktionsgefäß) 1 mit einem Biomassenbett 2, welches aus geeignet gestalteten ortsfesten, eine verhältnismäßig große Kontaktoberfläche bildenden Trägermitteln, wie Einsatzringe oder dergleichen aus fäulnissicherem und korrosionssicherem Stoff besteht. Die emulsionierte und mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit durchfließt dieses Bett, welches an seinem unteren Ende durch eine Einrichtung 3 gehalten wird, die geeignet ist, die überbleibende Emulsion bei ihrem Austreten aus der Biomasse aufzubrechen. An seinem oberen Teil weist das Gefäß 1 einen Emulsions- Zuleitungskanal 4 auf, dem sich ein Verteiler 5 an­ schließt, welcher die Emulsion in Berieselungsströme aufteilt, die auf die Oberfläche der Biomasse 2 auf­ treffen. Der gegebenenfalls trichterförmig verjüngte Unterteil mündet in einem Sammelkanal 6, an den ein Ableitungskanal 7 angeschlossen ist.

Erfindungsgemäß ist der Zuleitungskanal 4 an ein Venturirohr 8 mit einem konvergenten und einem divergenten Teil angeschlossen, in dessen Ab­ schnürung vermittels eines Einlaßkanals 9 ein sauerstoffhaltiges Emulsioniergas, wie gegebenen­ falls an Sauerstoff angereicherte atmosphärische Luft, reiner Sauerstoff und gegebenenfalls ein anderes Gas, das die Reaktion begünstigen, stabilisieren und - wenn erwünscht - verzögern oder gar unterbrechen kann, eingelassen wird.

Das oberhalb des Biomassenbettes austretende Emulsionier­ gas und das gegebenenfalls durch den Gärungsvorgang erzeugte Gas werden im oberen Teil des Gefäßes 1 ver­ mittels einer Gasauffangleitung 10 gesammelt und mit Hilfe einer Pumpe 11 über eine Rückführleitung 12 zur Abschnürung des Venturirohres 8 zurückgeführt oder gänzlich oder teilweise durch eine Entnahmeleitung 12 a abgeführt.

Ein Teil der im Sammelkanal 6 enthaltenen Flüssigkeit wird durch eine Flüssigkeitsentnahmeleitung 13 einer Umwälzpumpe 14 zugeführt, die diese Flüssigkeit über eine mit einer Frischflüssigkeitseinlaßleitung 16 verbundene Leitung 15 zum Einlaß des Venturirohres 8 fördert.

Der vorstehend beschriebene Bioreaktor arbeitet wie nachfolgend beschrieben:

Die umzuwandelnde Flüssigkeit, die beispielsweise aus biochemisch umwandelbaren Substanzen, Abfällen oder zurückzugewinnenden bzw. auszuscheidenden Stoffen und/oder Abwasser besteht, wird durch den Einlaßkanal 16 in das Gefäß 1 eingeleitet und am Einlaß des Venturi­ rohres 8 mit der durch die Pumpe 14 rückgeführten Flüssigkeit gemischt. Das in die Abschnürung des Venturirohres 8 durch den Einlaßkanal 9 und gegebenen­ falls durch den Rückführkanal 12 eingelassene sauerstoff­ haltige Gas wird durch die in der Abschnürung - in welcher der statische Flüssigkeitsdruck in dynamischen Druck verwandelt wird - unter Unterdruck gesetzt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Volumen­ verhältnis Gas/Flüssigkeit niedriger als 0,5.

Die auf diese Weise erzeugte, feinverteilte und durch den Einlaßkanal 4 und den Verteiler 5 auf die Ober­ fläche des Biomassenbettes 2 aufgebrachte Emulsion fließt langsam auf der beträchtlichen Kontaktfläche des Bettes ab und besorgt dabei die Sauerstoffzufuhr zu demselben.

Durch Schwerkraft gelangt die Flüssigkeit zum unteren Ende des Bettes 2 und durchströmt somit die Vorrichtung 3, wobei die aus sauerstoffhaltigem Gas und Flüssigkeit gebildete Emulsion reduziert und die Flüssigkeit frei­ gesetzt wird, welche Gärprodukte enthält und im Sammel­ kanal 6 gesammelt wird, von wo sie durch den Kanal 7 abgezogen und vermittels der Pumpe 14 teilweise zurück­ geführt wird. Einstellbare Mengen an Gas und Flüssigkeit werden den Leitungen 12 a und Kanälen 7 und 13 nach Maß­ gabe der innerhalb des Bettes 2 erfolgenden bio­ chemischen Umwandlung entnommen.

Das erfindungsgemäß erzielte biochemisch umgewandelte Material ist geeignet zur völligen Zerstörung organischer und umweltsverschmutzender Stoffe, die beispielsweise in Abwässern der agronomischen und Nahrungsmittelindustrie vorliegen, sowie zur bio­ chemischen Umwandlung verschiedener Substanzen (beispielsweise Alkohol/Säure-Umwandlung) und zur Umwandlung dieser umweltverschmutzenden Stoffe in Einzelzellen-Proteine ohne Verwendung des Festbettes.

In einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Anlaufen und die Stabilisierung der bio­ chemischen Umwandlungsreaktion in geschlossenem Kreislauf ohne Zuführung eines zusätzlichen Mediums oder in Form von aufeinanderfolgenden autonomen Verfahrensschritten erfolgen. Es ist ferner möglich, die Strömungsrichtung der Flüssigkeit periodisch zu ändern, z.B. um den unteren Teil des Biomassenbettes zu regenerieren und die Vorrichtung 3 zu entlasten.

Die Gas- und Flüssigkeitsdurchsatzmengen können ferner mit Hilfe von Meßinstrumenten reguliert werden, die die Aktivität des Biomassenbettes bzw. das Fort­ schreiten der biochemischen Umwandlung erfassen.

Ein heizender und/oder kühlender Wärmeaustauscher kann in die Rückführungsleitungen 13 bzw. 10-12 und/oder in die Einlaß- bzw. Entnahmeleitung 16, 7 bzw. 12 a eingeschaltet werden. Das Verfahren kann auch vermittels eines beweglichen Mikroorganismen-Bettes (Bakterien­ bettes) durchgeführt werden, wobei die Stoffzufuhr in jedem Fall unter Herstellung einer Emulsion außerhalb des Reaktors erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann natürlich auch vermittels eines umlaufenden Biomassenbettes durch­ geführt werden, wobei die vorstehend beschriebene Vorrichtung Rücklaufmittel für das genannte Bett aufweist.

Wie ersichtlich, besteht ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, sowie der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung darin, daß mit einem Fest­ bett gearbeitet werden kann.

Auf der beiliegenden Zeichnung ist die Ausführungs­ form des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher die Gas/Flüssigkeitsemulsion in das Biomassenbett selbst eingeführt wird nicht dargestellt. In diesem Fall besteht der Verteiler 5 aus einer an seiner Oberfläche mit Perforationen versehenen Kugel, die durch geeignete Mittel an den Zufuhrkanal 4 an­ geschlossen und inmitten des Biomassenbettes angeordnet ist.

Claims (10)

1. Verfahren zur Durchführung der biochemischen Um­ wandlung einer Flüssigkeitsmasse vermittels Kontakts zwischen derselben und einer Biomasse, die von einem ein Festbett bildenden Träger gehalten wird, wobei Mittel zur wenigstens teilweisen Abtrennung des Gases vorgesehen werden, die das Festbett stützen, wobei ferner die Sauerstoffzufuhr zu der Flüssigkeitsmasse, bevor dieselbe mit der Biomasse in Berührung gebracht wird, durch Emulsionierung vermittels Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Gases erfolgt, und zwar durch Mittel, die derart ausgestaltet sind, daß die Umlauf­ geschwindigkeit der Flüssigkeit das Ansaugen des ge­ nannten Gases bewirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsmasse in feiner Verteilung mit der Biomasse in Berührung gebracht wird, die fein ver­ teilte und durch den Einlaßkanal und den Verteiler auf die Oberfläche des Biomassenbettes aufgebrachte Emulsion langsam auf der beträchtlichen Kontaktfläche des Bettes abfließt und dabei die Sauerstoffzufuhr zu demselben besorgt, durch Schwerkraft die Flüssigkeit zum unteren Ende des Bettes gelangt und somit die Vorrichtung durchströmt, teilweise das von der Flüssigkeitsmasse mitgerissene Gas abgetrennt wird, wobei die Mittel zum Tragen des Biomassenbettes durch eine Stützvorrichtung, bestehend aus einem fein­ maschigen Gitter oder einem Zentrifugalabscheider, fest­ gelegt sind, die ferner dazu geeignet sind, die aus dem sauerstoffhaltigen Gas und der Flüssigkeit be­ stehende Emulsion aufzubrechen, um die Entnahme und Rückführung der Flüssigkeit zu erleichtern und die Weiterleitung zu begünstigen und die da Biomassen­ bett enthaltende Gefäße einen Sammler zur Aufnahme des von der Emulsion abgegebenen sauerstoffhaltigen Gases sowie Aufnahmemittel und Rückleitungsmittel zwecks Aufnahme und Rückleitung des sauerstoff­ haltigen Gases in die Flüssigkeitsmasse stromaufwärts des Biomassenbettes aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasflüssigkeitsemulsion auf bzw. in dem Biomassenbett durch Feinverteilungsmittel verteilt wird, die beispielsweise eine Mehrzahl von Be­ rieselungslöchern aufweisen.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Biomasse aus sprossenden oder nichtsprossenden Mikroorganismen, Organellen, subzellulären Fraktionen dieser Mikroorganismen oder Enzymen besteht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhaltige Gas gegebenenfalls mit Sauerstoff angereicherte Luft oder reiner Sauerstoff ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsmasse aus einer Lösung umwandelbarer Substanz, industrieller Abfälle, Abwasser oder einem biochemisch umzuwandeln­ den Substrat besteht.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß sie folgende Aufbauteile umfaßt:
ein einen Reaktor bildendes Gefäß (1) zur Durch­ führung einer biochemischen Umwandlung einer Bio­ masse (2);
Zuführungsmittel (15, 16) zum Zuführen der zu be­ handelnden Flüssigkeitsmasse in den oberen Teil dieses Gefäßes (1);
Zufuhrmittel (8, 9) zum Einleiten eines sauerstoff­ haltigen Gases in die Flüssigkeitsmasse, die derart ausgebildet sind, daß die Umlaufgeschwindigkeit der Flüssigkeit das Ansaugen des genannten Gases bewirkt;
Verteilungsmittel (5) zum feinen Verteilen der Flüssigkeitsmasse;
Abtrennmittel (3) zur wenigstens teilweisen Ab­ trennung des von der Flüssigkeitsmasse mitgerissenen Gases;
Rückführmittel (14, 15) zum Rückführen der Flüssig­ keitsmasse in den oberen Teil des Gefäßes (1);
daß das Gefäß (1) Trägermittel zum Halten der Biomasse (2) umfaßt, die so ausgebildet sind, daß sie wenigstens ein Einsatzteil bilden, welches ein von den Abtrennmitteln (3) getragenes Festbett bilden;
daß die Emulsionierungs- und Zufuhrmittel zum Ein­ leiten des sauerstoffhaltigen Gases aus einem Emul­ sionierungs-Venturirohr (8) bestehen, in dessen Einschnürung das sauerstoffhaltige Gas eingesaugt wird; daß die Mittel zum Tragen des Biomassenbettes (2) durch eine Stützvorrichtung (3 a) festgelegt sind, die ferner dazu geeignet sind, die aus dem sauerstoffhaltigen Gas und der Flüssigkeit bestehende Emulsion aufzubrechen, um die Entnahme und Rückführung der Flüssigkeit zu erleichtern und die Weiterleitung zu begünstigen,
daß die Stützvorrichtung (3) aus einem feinmaschigen Gitter, einem Zentrifugalabscheider oder dergleichen besteht, und derart ausgebildet, daß sie die aus sauer­ stoffhaltigem Gas und Flüssigkeit bestehende Emulsion völlig oder teilweise aufbricht, um die Rückführung der der Flüssigkeit zu begünstigen, und
daß das das Biomassenbett (2) enthaltende Gefäß einen Sammler (10) zur Aufnahme des von der Emulsion abgegebenen sauerstoffhaltigen Gases sowie Aufnahme­ mittel (11) und Rückleitungsmittel (12) zwecks Auf­ nahme und Rückleitung des sauerstoffhaltigen Gases in die Flüssigkeitsmasse stromaufwärts des Biomassen­ bettes (2) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Emulsionierungs-Venturirohr (8) derart ausgebildet ist, daß die Strömungs­ geschwindigkeit der Flüssigkeit in der Ein­ schnürung das Ansaugen des Gases bewirkt, um in dem divergenten Venturirohrteil eine Feinst­ emulsion zu erzeugen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Zufuhrmittel (8, 9) außer­ halb des zur Aufnahme des Biomassenbettes (2) bestimmten Gefäßes angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Einleitung der aus sauerstoffhaltigem Gas und Flüssigkeit gebildeten Emulsion auf das Biomassenbett (2) Feinverteilungsmittel vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Verteilung der aus sauerstoffhaltigem Gas und Flüssigkeit bestehenden Emulsion in das Biomassenbett (2) Feinverteilungsmittel (5) zur Berieselung vor­ gesehen sind, die vorzugsweise eine Mehrzahl von Löchern aufweisen.