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Dokumentenidentifikation DE102004052597B4 13.07.2006
Titel Kombination von Membran und Mischorgan zur Emulsionsbildung im Bioreaktor
Anmelder Gesellschaft für umweltkompatible Prozeßtechnik mbH, 66123 Saarbrücken, DE
Erfinder Chmiel, Horst, Prof. Dr.-Ing.habil., 66123 Saarbrücken, DE
DE-Anmeldedatum 29.10.2004
DE-Aktenzeichen 102004052597
Offenlegungstag 24.05.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.07.2006
IPC-Hauptklasse C12P 1/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse C12M 1/12(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   C12M 1/26(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Verteilung einer hydrophoben Phase in einer wässrigen Phase in einem Bioreaktor.
Die Problemstellung ergibt sich daraus, dass in einem Bioreaktor sowohl Substrat als auch Produkt ab einer bestimmten Konzentration den Biokatalysator in seiner Produktivität hemmen können. Der Bioreaktor muss daher möglichst gut durchmischt sein. Werden Substrate verwendet, die sich mit der wässrigen Phase schlecht mischen (z. B. Öle), so tritt das zusätzliche Problem auf, dass eine möglichst stabile Emulsion erzeugt werden muss.
Das Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die hydrophobe Phase mittels Druck über poröse Membranen in die wässrige Phase gepresst wird und zusätzlich mittels tangentialer Anströmung von der Membran abgetragen und in der wässrigen Phase verteilt wird.
Die im Bioreaktor integrierten Membranen können sowohl Flach- als auch konzentrische Membranen sein.

Beschreibung[de]

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur Vermischung einer hydrophoben mit einer wässrigen Phase in einem Bioreaktor.

Unter einem Bioreaktor – auch Farmenter genannt – versteht man einen Apparat, bei dem in Anwesenheit von Biokatalysatoren aus einem Ausgangssubstrat (auch Medium genannt) ein Produkt entsteht. Da sowohl Substrat, als auch Produkt ab einer bestimmten Konzentration den Biokatalysator in seiner Produktivität hemmen können, muss der Bioreaktor möglichst gut durchmischt sein. Bei aeroben Prozessen ist die gleichmäßige Verteilung des Sauerstoffs im Bioreaktor ein weiteres Argument für eine gute Durchmischung. Andererseits bedeutet die gute Durchmischung hohen Energieeintrag und damit häufig unerwünschte Erwärmung. Dieser Zielkonflikt (gute Durchmischung bei geringem Energieverbrauch) hat zu einer Reihe unterschiedlichster Bioreaktortypen geführt wie z. B. Rohrreaktoren, Schlaufenreaktoren, Torusreaktoren und Rührkesselreaktoren, von denen sich der letztgenannte im großen Stil durchgesetzt hat.

Wie aus 1 ersichtlich, erfolgt die Durchmischung des Rührkesselreaktors durch einen rotierenden Propeller. Um zu verhindern, dass daraus eine stationäre Kreislaufströmung resultiert, sind senkrecht zum Propeller Strömungsbrecher angeordnet. Im Normalfall ist der Bioreaktor zum überwiegenden Teil mit Wasser gefüllt und die Substratkomponenten sind gut wasserlöslich (z.b. Glukose und Nährsalze).

Neuerdings werden aber als Substrate zunehmend auch hydrophobe Phasen eingesetzt. So ist z. B. bekannt, dass das Bakterium Pseudomonas aeruginosa Öl in ein Biotensid – also ein biologisch abbaubares Waschmittel – umsetzt. Damit das Öl für den Mikroorganismus verfügbar wird, muss es als feine Tröpfchen (ca.2 bis 20 &mgr;m ∅) vorliegen, idealer Weise als stabile Emulsion. Dabei stellt der Mikoorganismus die Grenzflächen aktive Substanz (das Tensid) selbst her, um die Emulsion zu stabilisieren.

Beim Einsatz der o. g. hydrophoben (bzw. lipophilen) Substrate muss das Rührorgan des Bioreaktors (z.B. der Propeller) also nicht nur die Durchmischung, sondern auch die Erzeugung der feinen Öltröpfchen übernehmen. Energiesparende Mischer, wie z. B. statische oder oszillierend schwingende Mischer sind hierfür nicht geeignet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, diesen Nachteil zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Patentanspruch 1 und die Vorrichtung nach Patentanspruch 2 gelöst.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch realisiert, dass die Öltröpfchen nicht vom Rührorgan allein, sondern mittels einer Kombination von Rührer und im Bioreaktor integrierter poröser Membranen) erzeugt werden. Dies geschieht dadurch, dass das Öl unter Druck durch die Poren einer oder mehrerer hydrophilen Membran(en) gepresst wird und von einer vom Rührorgan erzeugten Umlaufströmung abgetragen wird. Die Porendurchmesser der Membran(en) richten sich nach der gewünschten Tröpfchengröße der hydrophoben Phase, liegen aber zwischen 0,1 &mgr;m und maximal 2 &mgr;m. Um bereits von Beginn des Bioprozesses an stabile, d. h. nicht koaliszierende Tröpfchen zu erzeugen, empfiehlt es sich, der wässrigen oder hydrophoben Phase anfangs eine emulgierende, Grenzflächen aktive Substanz zu zugeben. Die porösen Membranen sollten im Bioreaktor so angeordnet sein, dass sie durch den vom Mischorgan erzeugten Umlauf tangential angeströmt werden. Dadurch werden die an den Membranporen entstehenden Tröpfchen kontinuierlich abgetragen und mit dem übrigen Inhalt des Bioreaktors gründlich vermischt.

In 2 und 3 sind beispielhaft je eine Variante der Erfindung dargestellt.

Mit 1 werden jeweils die Membranen und mit 2 deren Poren bezeichnet. 3 ist das Rühr- bzw. Mischorgan. 4 ist der Bioreaktor und 5 symbolisiert die Strömungsführung zur Erzeugung der Scherströmung an der Membranoberfläche.

In 2 ist das Mischorgan eine mittels einer Stange oszillierend bewegte Platte, die konische Bohrungen enthält. Die dadurch erzeugte Flüssigkeitsbewegung führt zu einer Scherströmung an den senkrecht zum zylindrischen Teil des Bioreaktors und parallel zur Stange des Mischorgans angeordneten Membranen 1. Deren Poren werden vom Inneren der Membran in den Bioreaktorraum durchströmt.

In 3 ist die zylindrische bzw. ringförmige Membran konzentrisch zur Achse des Bioreaktors angeordnet. Das die tangentiale Anströmung der Membran erzeugende Mischorgan ist eine Injektordüse, über die Luft, bzw. Gas eingetragen wird.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur gleichmäßigen Verteilung einer hydrophoben Phase in einer wässrigen Phase in einem Bioreaktor, wobei die Tröpfchengröße der hydrophoben Phase zwischen 2 &mgr;m und 20 &mgr;m liegt, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophobe Phase mittels Druck über poröse Membranen in die wässrige Phase gepresst wird und zusätzlich mittels tangentialer Anströmung von der Membran abgetragen und in der wässrigen Phase verteilt wird.
  2. Bioreaktor zur gleichmäßigen Verteilung einer hydrophoben Phase in einer wässrigen Phase, wobei die Tröpfchengröße der hydrophoben Phase zwischen 2 &mgr;m und 20 &mgr;m liegt, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere poröse Membranen, durch die die hydrophobe Phase zur Erzeugung von Tröpfchen mit einem Durchmesser von 2 &mgr;m bis 20 &mgr;m gepresst wird, und ein Mischorgan zu deren Verteilung in der wässrigen Phase beide gleichzeitig im Bioreaktor integriert sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der oder den Membranen um Flachmembranen handelt, die parallel zu der vom Mischorgan erzeugten Strömung angeordnet sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Membran um eine ringförmige Membran handelt, die konzentrisch zur Achse des Bioreaktors angeordnet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig Membranen nach Anspruch 3 und nach Anspruch 4 im Bioreaktor angeordnet sind.
  6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran einschließlich ihrer Poren eine hydrophile Oberfläche hat.
  7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse Membran aus einem anorganischen Material besteht.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischorgan ein oszillierender Rührer ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischorgan ein Injektordüse ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischorgan ein Propeller ist.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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