DE3810843A1 - Antrieb fuer volldurchmischte bioreaktoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Antrieb für volldurch­ mischte Bioreaktoren zum Einstellen des Kreislaufs eines in den Reaktorbehälter eingebrachten Substrats.

Insbesondere betrifft die Erfindung Bioreaktoren für Fermentationsprozesse auf der Grundlage mikrobiellen Wachs­ tums, in denen entweder eine gezielte Umwandlung einer spe­ zifischen Ausgangssubstanz biokatalytisch durch Enzyme er­ folgt oder beispielsweise wie im Fall der Abwasserbehand­ lung ein Reinigungsprozeß durch Reduktion organischer Schmutzstoffe und organischer Substanzen durch den Stoff­ wechsel von Mikroorganismen erreicht wird.

Weder für die biotechnologischen Fermentationsprozesse noch für die Abwasserreinigung und Wasseraufbereitung gibt es einen universal und dabei optimal anwendbaren Bioreaktor.

Die bereits bekannten Reaktoren umfassen Bioreaktoren in Form von Rührkesseln, Säulenreaktoren und Schlaufenreak­ toren mit einem Substratkreislauf, auf die die Erfindung gerichtet ist. Eine Zusammenfassung der gebräuchlichen Schlaufenreaktoren sowie deren Eigenschaften mit innerer oder äußerer Zirkulation ist in dem Werk "Biotechnology: A Comprehensive Treatise In 8 Vol." von H. J. Rehm, G. Reed, Vol. 2, Fundamentals of Biochemical Engineering, (H. Brauer Volume Editor) VCH Verlagsgesellschaft Weinheim, 1985, Ka­ pitel 19-24 angegeben. Weitere Beschreibungen finden sich auch im Werk von Schlügerl, K. Sittig, W.: "Bioreaktoren, Ein Handbuch der Biotechnologie" (P. Präve, U. Faust, W. Sittig. D.A. Sukatsch, Hrsg.), Akademische Verlagsgesell­ schaft, Wiesbaden 1982, 137-171.

Volldurchmischte Reaktoren unterscheidet man je nach Art des Antriebs der Substratumwälzung in sogenannte "Pro­ peller-Loop Reaktoren (PLR)", "Air-lift Loop Reaktoren (ALR)" und "Jet Loop Reaktoren (JLR)". Insbesondere bei Reaktoren mit einer beweglichen Trägermaterialschüttung für mikrobielles Ansiedelungswachstum ist zur Erzeugung eines Schwebe- oder Wirbelbettes ein hoher Energieeintrag zur Aufrechterhaltung erforderlich.

Hohe Energieeinträge sind üblicherweise wirtschaftlich nur durch den direkten oder indirekten Einsatz von Kreisel­ pumpen erzielbar. Hierbei ist das umzuwälzende Substrat mit den darin enthaltenen Mikroorganismen oft erheblichen Be­ lastungen im Scherfeld des Laufrades ausgesetzt. Speziell einige anaerob metabolisierende Bakterienstämme können die­ se Scherbelastungen nur begrenzt ertragen. Die bei Ansiede­ lungswachstum verwendeten Trägerpartikel sind nur mit er­ höhtem Aufwand durch Kreiselpumpen zu fördern. Ferner be­ günstigen Abrieb und Verstopfungen Verschleiß und Betriebs­ störungen.

Im Festbettbetrieb können sich durch lokale Kanalbil­ dungen diffusionslimitierende Kurzschlußströmungen bilden.

Der Betrieb volldurchmischter Reaktoren ist aus diesen Gründen hinsichtlich der Parameter ertragbare Scherbela­ stung, Diffusionslimitierung, Betriebssicherheit und Wirt­ schaftlichkeit zu optimieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ausgehend von den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1, einen verbesserten Antrieb zur Erzeugung der Substratzirkulation zu schaffen, der eine energiespa­ rende, störungsunanfällige und universal verwendbare Be­ triebsweise des Bioreaktors ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patent­ anspruchs 1 gelöst.

Die Besonderheit des erfindungsgemäßen Antriebs liegt in der Nutzung der durch das Pulsen mit Hilfe der Pulsdüse eingebrachten Strömungsenergie zur Einstellung der Zirku­ lation im Reaktorbehälter.

Durch das der Pulsation zugrundeliegende Verdränger­ prinzip wird jeweils nur ein geringes Volumen zyklisch dem Reaktorbehälter entnommen und wieder zugeführt. Dies hat neben geringem Energieverbrauch den Vorteil, daß der Groß­ teil des Reaktorinhaltes allein durch den Wasserstrahlpum­ peneffekt im Druckhub der Pulsdüse schonend im Behälter selbst zirkuliert, während nur ein geringer Teil der Bio­ masse einer Belastung in der Pulsdüse ausgesetzt ist. Ins­ besondere können auch Trägerpartikel die Pulsdüse durch­ strömen, ohne Verstopfungen oder Abrieb zu erzeugen, wie dies bei der Verwendung von Kreiselpumpen wahrscheinlich wäre. Die in das Trägermaterial eingebetteten Mikroorganis­ men erfahren somit eine effektive aber schonende Umwälzung mit einer pulsationsbedingten permanenten Kontaktflächener­ neuerung, die möglichen Diffusionsbegrenzungen entgegen­ wirkt. Bei Verfahren mit zusätzlich erforderlichem Gasein­ frag (z. B. aerobe Verfahren oder Nitrifikation/Denitrifi­ kation) kommt es zu einer verbesserten Gasausnutzung durch die Pulsationsbewegung. Hohe Relativgeschwindigkeiten zwi­ schen Substrat und Organismen mit der Gefahr der Ablösung und Auswaschung aktiver Biomasse werden ohne Limitierung der Stoffaustauschrate vermieden.

Die Pulsdüse ist einfach und vorteilhaft ausführbar, indem beispielsweise ein in einem zylindrischen Hubraum frei beweglicher Kolben eine kurze Hubbewegung im Takt der Pulsation vollführt und hierdurch eine Strömungsleitungs­ funktion bewirkt wird, wobei die Kolbenauslenkung lediglich durch die Strömungsenergie des pulsierenden Mediums er­ folgt.

Die bauartbedingte dichtungslose und somit hermetische Ausführung eines solchen Systems verhindert beispielsweise Beeinträchtigungen durch Leckagen oder Sauerstoffzutritt bei strikt anaeroben Bakterien.

Die Konstruktion des pulsgetriebenen Bioreaktors ist im Hinblick auf krustende, klebende oder verstopfende Sub­ strate einfach und wartungsarm ausführbar und kann große Strömungsquerschnitte zur Verfügung stellen.

Der erfindungsgemäße Pulsantrieb eignet sich insbeson­ dere für Anaerobreaktoren, ist jedoch auch für aerobe Ver­ fahren mit zusätzlichem Gaseintrag einsetzbar.

Bei Verwendung eines Wirbelbetts oder Schwebebetts ist von Vorteil, daß die Partikel zu Beginn der Druckhubphase der Pulsation im Bereich um die Pulsdüse aufgelockert und in Schwebe gebracht werden, und somit eventuell vorhandene Verdichtungen des Trägermaterials aufgelockert werden. Im Festbettbetrieb mit einer beweglichen Partikelschüttung läßt sich im Schlaufenreaktor durch den Pulsantrieb eine allmähliche Umschichtung des Bettes dadurch erreichen, daß jeweils ein Teil der untersten Partikel im Leitrohr mit der Kreislaufströmung nach oben gefördert wird, und das Bett in den dadurch freigewordenen Raum nachrutscht. Die Besonder­ heit dieses "wandernden" Festbettes liegt in der Vermeidung der Bildung von Kurzschlußströmungskanälen, die im normalen Festbettbetrieb oft zu Zonen mit limitiertem Stoffaustausch führen.

Durch die Pulsation wird zudem ein feinblasiges schnelles Ablösen der entstehenden Gasblasen bewirkt, was insbesondere bei der Biogaserzeugung von Vorteil ist.

Durch die unterschiedliche Einstellung der Einström- und Ausströmquerschnitte der Pulsdüse lassen sich in ver­ schiedensten Anlagen schonende oder hochturbulente Umwäl­ zungen erzielen. Wird ein beweglicher Kolben zur Einstel­ lung der Strömungsquerschnitte und zur Strömungsführung verwendet (Anspruch 6), so wird in vorteilhafter Weise im Saughub das Pulsationsmedium vom Boden des Reaktors bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten in den Pulsdüsenraum eingesaugt. Im Druckhub hingegen wird das Pulsationsmedium mit hoher Geschwindigkeit nur aus der Düsenöffnung ausge­ trieben, so daß ein bestimmtes Volumen des Mediums aus der Düsenumgebung durch den Strömungsimpuls mitangesaugt und der Zirkulation zugeführt wird.

Ähnliche Effekte lassen sich auch erzielen, wenn bei konstanten Einström- und Ausströmquerschnitten die Ein­ ström- und Ausströmgeschwindigkeiten in der Pulsdüse bei­ spielsweise mittels des Pulsators entsprechend eingestellt werden. Auch kann durch Variation des Pulsatorhubvolumens und/oder der Pulsationsfrequenz eine optimale Anpassung er­ folgen. Als Betriebsarten sind vom Wirbelbett über das Schwebebett bis hin zum Festbett alle Varianten und Zwi­ schenstufen einstellbar, ohne daß anlagenseitige Änderungen erforderlich werden.

Der Pulsantrieb kann beispielsweise in kleineren, de­ zentralen Anlagen zur Abwasseraufbereitung kostengünstig eingesetzt werden, ebenso dort, wo bereits bestehende Anla­ gen anzupassen oder zu sanieren sind, sowie an solchen Orten, wo bisher aufgrund eines begrenzten Raumangebotes eine Einrichtung zur Abwasserbehandlung nicht möglich war.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenenen Merkmale im Hinblick auf die Verhältnisse der Strömungsquerschnitte und Volumenströme beim Saug- und Druckhub der Düse wird u. a. vermieden, daß sich im Leitrohr eine schwingende Säule bildet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Bioreaktors, der mit dem erfindungsgemäßen Antrieb ausgestat­ tet ist, im Längsschnitt und

Fig. 2A und 2B vergrößerte Schnittansichten eines Ausführungs­ beispiels der Pulsdüse des erfindungsgemäßen Antriebs.

Der in Fig. 1 gezeigte Reaktorkörper bzw. das Reaktor­ gehäuse des volldurchmischten Bioreaktors 1 weist einen schlanken zylindrischen Mantel auf. Ein Leitrohr 2 er­ streckt sich über ca. 80% der nutzbaren Reaktorhöhe bis zu einem Siebboden 3 und ist mittig, d.h. mit gleichem oberen und unteren Abstand zentrisch im Reaktorkörper fixiert. In diesem mittleren Bereich des Reaktors erfolgt eine schlau­ fenförmige Umwälzung, wie durch die Pfeile angedeutet ist. Der Siebboden 3 oberhalb des Leitrohres verhindert einen Austrag größerer Partikel in einen Ablaufstutzen 4. Ein Zulaufstutzen 5 für das umzusetzende Substrat führt unter­ halb dieses Siebbodens 3 in den Abwärtsstrom des Kreislau­ fes. Über dem Flüssigkeitsspiegel des eingefüllten Sub­ strats liegt ein Gaspolster 6 als Pulsationspuffer sowie zum Ausgleich bei erhöhten Reaktorfüllständen. Am Kopf des Reaktors befindet sich ferner ein Stutzen 7 zur Gasablei­ tung.

Um die angedeutete Kreislaufströmung zu erzeugen, ist ein Pulsator 8 vorgesehen, der eine Pulsdüse 10 betätigt, die in einem im Reaktorkörperboden ausgebildeten Stutzen vorgesehen ist und an den Pulsator 8 angeschlossen ist. Die Kreislaufströmung wird erzeugt, indem im Saughub des Pulsa­ tors das Hubvolumen aus dem Ringraum des Reaktors angesaugt wird, während im Druckhub des Pulsators ein möglichst großer Teil des Volumens durch eine Austrittsdüse 9 der Pulsdüse 10 in das Leitrohr 2 geführt wird.

Die in den Fig. 2A und 2B gezeigte Pulsdüse 10 gestat­ tet eine derartige Pulsation mittels des Pulsators 8. Die Pulsdüse 10 besteht im wesentlichen aus der eigentlichen Düse 9, die in den Reaktor hineinragt und einem darunterbe­ findlichen vertikal beweglichen Hubkolben 11, der in einem zylindrischen Hubraum 12 eine kurze Hubbewegung im Takt der Pulsation vollführt.

Die Auslenkung des Kolbens erfolgt lediglich durch die Strömungsenergie des pulsierenden Mediums. Aufgrund der ge­ ringen Dichte des bevorzugt verwendeten leichten Materials und der relativ weiten Laufflächentoleranzen ist zur Bewe­ gung des Kolbens nur eine sehr geringe Energie erforder­ lich, d.h. die Kolbenbewegung bewirkt nur einen sehr gerin­ gen Druckverlust der Strömung.

Beim im Fig. 2A dargestellten Saughub legt der Kolben einen großen Einströmquerschnitt 13 um die Düse 9 herum zusätzlich zu deren Einströmquerschnitt 14 frei, wobei die­ ser Einströmquerschnitt 13 ein Ansaugen des Mediums aus dem Bodenraum des Reaktors bei geringen Strömungsgeschwindig­ keiten gestattet. Lediglich ein geringer Volumenstromanteil strömt entsprechend dem Flächenverhältnis Düseneinströmöff­ nungs- oder -querschnitt 14 zum Einströmquerschnitt 13 durch die Düse 9 in den Pulsator, wie durch die Pfeile an­ gedeutet ist.

Im in Fig. 2B dargestellten Druckhub hingegen wird der Einströmquerschnitt 13 durch den nach oben bewegten Hubkol­ ben 11 abgedichtet, der sich mit einem konisch ausgebilde­ ten oberen Randbereich an den entsprechend abgeschrägten äußeren unteren Rand der Düse 9 legt. Durch die konische bzw. abgeschrägte Ausbildung von Düse und Kolben wird einerseits erzielt, daß im Strömungskanal während des Saug­ hubs keine größeren Strömungswiderstände auftreten. Ande­ rerseits wird hierdurch eine Zentrierung der Düse auf dem Kolben im Druckhub erzielt. Durch diese Abdichtung des Ein­ strömquerschnitts 13 mittels des Hubkolbens wird das Substrat oder das Pulsationsmedium durch die Düsenöffnung 14 mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit in das In­ nenrohr 2 gefördert. Dieser Strömungsimpuls saugt nun nach Art einer Wasserstrahlpumpe Medium aus dem Ringraum des Reaktors in das Leitrohr 2 hinein, wie mit den Pfeilen an­ gedeutet ist. In den durchgeführten Versuchen wurde stets mit Kolben aus Materialien gearbeitet, deren Dichte jeweils der des pulsierenden Mediums angepaßt war. Auf diese Weise wurde eine weitere Energieeinsparung erzielt.

Im Reinwasserversuch wurde experimentell ermittelt, daß bei einer Auslegung der Pulsationsamplitude für 1 cm Spiegelhöhenschwankung zu dem Hubvolumen der Pulsation zu­ sätzlich das ein- bis zweifache Volumen aus dem Ringraum angesaugt wird und im Innenrohr nach oben gefördert wird. Das Innenrohr sorgt für eine weitgehend verlustlose Weiter­ leitung des eingebrachten Strömungsimpulses in den Bereich des Reaktorkopfes. Hierdurch wird eine regelmäßige und gleichmäßige Umschichtung des Reaktorinhalts gefördert.

In der Praxis wurde der Antrieb auch zur Umwälzung von schaumstoffähnlichen Füllkörpern mit einer Körnung von 4- 8 mm erfolgreich eingesetzt, ohne daß Verstopfungen in der Pulsdüse auftraten. Bei einer 80%igen Befüllung des Reak­ tors mit diesen Partikeln wurde jeweils ein Teil davon am Reaktorboden mit der Strömung im Leitrohr nach oben geför­ dert. Auf diese Weise konnte eine Art sich kontinuierlich umschichtendes Festbett erzeugt werden.

Zudem wurde experimentell ermittelt, daß auch bei nicht beweglichem Kolben in der Druckhubphase praktisch eine Austreibung des Mediums weitgehend durch den Pulsdü­ senquerschnitt 14 und nicht durch den Einströmquerschnitt 13 um die Düse 9 herum erfolgt. Dies läßt sich aus den hy­ drodynamischen Gesetzmäßigkeiten von Düsenströmungen erklä­ ren. Es bietet sich also die Möglichkeit, bei Pulsations­ medien, die einer Kolbenbewegung hinderlich wären, auch ohne beweglichen Kolben ein die kreislaufartige Strömung ermöglichendes und aufrechterhaltendes Verhältnis von in der Pulsdüse während des Saug- und Druckhubs geförderten Volumenstromanteilen zu erzielen.

Auch sind weitere technische Lösungen für Pulsdüsen denkbar, die im Saug- und Druckhub verschiedene Strömungs­ querschnitte aufweisen. Schließlich ist es nicht zwingend notwendig, die Strömungsquerschnitte in Saug- und Druckhub zu verändern, sondern es kann auch ohne diese Maßnahme eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit im Druckzyklus her­ vorgerufen werden. Dies könnte durch eine entsprechende Ausbildung und Einstellung des Pulsators geschehen.

Claims (7)

1. Antrieb für volldurchmischte Bioreaktoren zum Einstel­ len der Zirkulation eines in den Reaktorbehälter eingebrach­ ten Substrats, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb ein Pulsantrieb mit einer am Reaktorgehäuse (1) vorgesehenen Pulsdüse (10) ist, deren Einström- und Ausströmquerschnitt und/oder Einström- und Ausströmge­ schwindigkeit im Saug- und Druckhub der Pulszyklen so ein­ gestellt sind, daß sich die jeweils erforderliche Substrat­ umwälzung kreislaufartig einstellt.

2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungsflächenverhältnis von Aus- und Einström­ querschnitt der Pulsdüse (10) kleiner oder gleich eins ist.

3. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdüse (10) am Boden oder Kopf des Reaktorbe­ hälters angeordnet ist und daß das Strömungsflächenverhält­ nis von Aus- und Einströmquerschnitt der Pulsdüse (1O) 1:1 bis zu 1:50 beträgt.

4. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während des Druckhubs ein größerer Volumenstromanteil durch eine in der Pulsdüse (10) ausgebildete Austritts­ düsenöffnung (14) gefördert wird als während des Saughubes.

5. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsführung in der Pulsdüse (10) beim Saug- bzw. Druckhub eines angeschlossenen Pulsators (8) durch die Strömungsenergie des gepulsten Mediums gesteuert wird.

6. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdüse (10) mit oder ohne beweglichem Kolben (11) zur Strömungsführung ausgebildet ist, der den Einströmquer­ schnitt im Druckhub verschließt.

7. Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Reaktorbehälter ein Leitrohr, in dessen Innenraum die kreislaufartige Substratumwälzung stattfindet, vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdüse (10) in der Mittelachse dieses Leitrohres (2) angeordnet ist.