DE19506183C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Nahrungszuführung und Stoffwechselproduktabführung bei der aeroben und anaeroben Fermentation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nahrungszuführung und Stoffwechselproduktabführung bei der aeroben und anaeroben Fermentation.

In Fermentern werden Mikroorganismen- oder Zellkulturen unter kontrollierten Bedingungen in Nährlösung fermentiert. Sehr häu­ fig werden Fermenter im Batch-Betrieb betrieben. Der Wirkungsgrad der Fermentationsprozesse in derartigen Fermentern hängt ent­ scheidend davon ab, wie die Stoffwechselprodukte aus dem Bereich der Mikroorganismen abgezogen werden können und wie neue Nähr­ stoffe nachgeführt werden können. Um dies zu gewährleisten, ist eine gleichmäßige Durchströmung des Fermentationsraumes wün­ schenswert.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vor­ richtung zur Nahrungszuführung und Stoffwechselproduktabführung bei der aeroben oder anaeroben Fermentation derart weiterzu­ bilden, daß ein Festbett in einem aerob oder anaerob arbeitenden geschlossenen und gegebenenfalls wärmeisolierten Fermenter mit einer Flüssigkeit im gesamten Querschnitt gleichmäßig durch­ strömt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination des Verfahrens nach Anspruch 1 sowie der Vorrichtung nach Anspruch 4 gelöst.Hier wird im Fermentati­ onsraum eine pulsierende hin- und hergerichtete Strömung erfin­ dungsgemäß dadurch erreicht, daß ein Boden mit integrierten Rück­ schlagventilen hin- und herbewegt wird.

Wird also bespielsweise der Boden in einem senkrecht stehenden Fermenter gehoben oder gesenkt, wird das Fermenterbett von unten nach oben oder von oben nach unten durch die unter oder über dem Boden befindliche Flüssigkeit durchströmt. Somit wird im Fermen­ ter eine pulsierende Flüssigkeitssäule erzeugt, deren Vorteil darin liegt, daß während der Ruhephase den Mikroorganismen die erforderliche Zeit gegeben wird, die mit der Flüssigkeit antrans­ portierte Nahrung zu erschließen. Der anschließende Spülvorgang ist erforderlich, um die Stoffwechselprodukte aus der Umgebung der Mikroorganismen zu entfernen. Dieser Spülvorgang wird bei einem senkrecht stehenden Fermenter durch die Aufwärtsbewegung der Platte erzielt, die die über ihr stehende Flüssigkeit so weit nach oben hin verdrängt, daß sie zu einem Teil über einen Überlauf abfließt und über einen entsprechenden Rücklaufin den Fermenter auf die Nachlaufseite der aufwärtsbewegten Platte zu­ rückgeführt wird. Die aus dem Fermentationsraum über der Boden­ platte abfließende Flüssigkeit kann vor Wiedereintritt in den Fermentationsraum im Nachlaufbereich der Platte einer Reinigung von den Stoffwechselprodukten unterzogen werden und anschließend mit neuem Substrat, Ozon oder Methan angereichert werden. Diese aufbereitete Nährstofflösung strömt dann bei der Rückbewegung der Platte, also im Beispiel des aufrecht stehenden Fermenters bei der Abwärtsbewegung, über die integrierten Ventile der Plat­ te in den Fermentationsraum oberhalb der Platte. Bei erneuter Aufwärtsbewegung wird dann die frische Nährstofflösung zu den Mikroorganismen hingefördert und die Stoffwechselprodukte wer­ den, wie es zuvor beschrieben wurde, wieder zum Überlauf hin ver­ drängt.

Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der im Fermentationsraum ange­ ordnete Boden mit der Flüssigkeitssäule mittels eines aufblasba­ ren Membransystems angehoben wird. Bei dieser Ausführungsform erfolgt das Absenken des Bodens durch das Eigengewicht der Plat­ te abzüglich des Auftriebs der darauf ruhenden Flüssigkeitssäule und das sich unterhalb der Platte im Membransystem befindliche Medium kann bei der Abwärtsbewegung der Platte über ein Ventil entweichen. Die Bewegungen der im Boden befindlichen Ventile sind gegenüber der Bewegung der Bodenplatte zeitverzögert, so daß ausreichend Flüssigkeit hindurchströmen kann.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Anlagenschema einer Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung und

Fig. 2 ein Detail der Vorrichtung gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein wärmeisolierter Fermentationsbehälter 10 darge­ stellt, in dem eine Flüssigkeitssäule 12 mit Mikroorganismen 14 eingefüllt ist.

Die Flüssigkeitssäule 12 wird über einen Boden 16 in pulsierende Auf- und Abwärtsbewegung versetzt. Diese pulsierende Bewegung des Bodens 16 erfolgt in dem hier dargestellten Ausführungsbei­ spiel über ein Membransystem 18, in welches über ein Gebläse 20 und ein Ventil 22 Luft eingepreßt wird. Hierdurch wird die Mem­ bran 18 aufgeblasen und der Boden 16 nach oben bewegt.

Der Boden liegt an den Wandungen des Fermentationsbehälters 10 mit seinem Rand dichtend an. Im Boden sind Ventile 24 inte­ griert, die bei der Aufwärtsbewegung des Bodens 16 über das Mem­ bransystem 18 schließen, so daß die gesamte oberhalb der Platte 16 ruhende Flüssigkeitssäule 12 angehoben wird. Hierdurch läuft Flüssigkeit mit verbrauchten Nährstoffen in einen Überlauf 26 und von dort über eine Rücklaufleitung 28 und ein Ventil 30 wie­ der zurück in den Rücklaufbereich unterhalb der Platte 16, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Die über den Überlauf abfließen­ de Flüssigkeit kann dabei wahlweise über eine Aufbereitungsanla­ ge 32 geführt werden sowie über eine Zuführvorrichtung 34 mit Nährstoffen, Sauerstoff oder Methan - je nach Betriebsweise des Fermentationsprozesses - angereichert werden.

Anschließend wird über ein Ventil 36 das Membransystem entlüf­ tet. Durch den hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule 12 senkt sich der Boden 16 um das nunmehr entlüftete Volumen des Membransystems 18.

In Fig. 2 ist der Aufbau der in der Platte 16 integrierten Venti­ le 24 beispielhaft dargestellt. In den Platten 16 sind jeweils Hohlräume 38 gebildet, in welchen Kugeln 40 beweglich angeordnet sind. Der Hohlraum 38 steht zur Unterseite der Platte 16 mit der Flüssigkeit über eine kreisrunde Öffnung 42 in Verbindung und an der Oberseite der Platte 16 mit der Flüssigkeitssäule über zwei Durchbrüche 44. Die Umrandung der kreisförmigen Öffnung 42 bil­ det gleichzeitig den Ventilsitz für die Kugel 40, wie dies in Fig. 2 in der durchgezogenen Linie dargestellt ist. Wenn der Druckausgleich erfolgt ist, entstehen zwischen der Kugel 40 und der Platte 16 unterschiedliche Relativbewegungen v₁/v₂ und v₃/v₄, wobei die Richtungen von v₁, v₂, v₃ und v₄ in der Fig. 2 näher bezeichnet sind. Diese unterschiedlichen Relativbewegungen resultieren aus den unterschiedlichen Massengewichten und der hiermit verbundenen unterschiedlichen Auftriebskräfte. Hierdurch ist der Durchtritt der Flüssigkeit von unten nach oben über die Bodenplatte 16 gewährleistet. Die frisch zugeführten Nährstoffe werden auf dem Weg von unten nach oben bis zum Überlauf 26 von den Mikroorganismen 14 verbraucht. Die Bewegungsgeschwindigkeit kann dabei derart eingestellt werden, daß die Transportgeschwin­ digkeit der Nährstofflösung an die jeweils gegebenen Verhältnis­ se optimal angepaßt wird.

Claims (5)

1. Verfahren zur Nahrungszuführung und Stoffwechselproduktabfüh­ rung bei der aeroben oder anaeroben Fermentation, dadurch gekennzeichnet, daß

• - eine Flüssigkeitssäule innerhalb eines Fermenters in pulsierende Strömungsbewegung versetzt wird, wobei eine innerhalb des Fermenters angeordnete Platte mit inte­ grierten Ventilen derart bewegt wird, daß bei dem Bewe­ gungsvorgang Flüssigkeit über einen mit Ventilen ver­ schließbaren Überlauf verdrängt wird,
• - die verdrängte Flüssigkeit einer Behandlung durch Ent­ keimung, Ozonierung, Strippung, Neutralisation, Fil­ terung biologischer Reinigung oder Fällung unterzogen und/oder mit Nährstoffen, Sauerstoff oder Methan zur Förderung des mikrobiellen Lebens angereichert wird und anschließend in den Fermenter in einen Bereich hinter der Platte zurückströmt,
• - wobei bei der Rückführung der Platte die in ihr inte­ grierten Ventile öffnen und die übergelaufene Flüssig­ keitsmenge bei verschlossenem Überlauf durch die Ver­ drängung der in Bewegungsrichtung hinter der Platte be­ findlichen Flüssigkeitsmenge ausgeglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die pulsierende Bewegung der Platte in beiden Richtungen durch mechanische Elemente, insbesondere durch Membranen, Hubzylinder oder An­ triebsmotoren, erreicht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Tandemanordnung der Ventilplatten kaskadenar­ tige abgeschlossene Räume unterschiedlicher Biozönosen ge­ schaffen werden, wobei die Bewegungen der einzelnen Ventil­ platten sich relativ zueinander unterscheiden können.

4. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ge­ schlossenen Fermenter eine Platte hin- und herbewegbar ange­ ordnet ist, die einerseits an den Rändern zu den Fermenter­ wandungen durch Spaltverengung dichtet und die andererseits gegen ihre Bewegungsrichtung schließende Ventile aufweist, daß am Fermenter eine Überlaufleitung durch die durch die Hubbewegung der Platte verdrängte Flüssigkeit vorhanden ist, die einerseits mit einem Rücklauf, der in den Fermentations­ raum unterhalb der Platte mündet, verbunden ist, und der an­ dererseits mit einer Wasseraufbereitung und gegebenenfalls einer Zu­ führleitung für Nährstoffe, Sauerstoff oder Methan in Verbin­ dung steht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mem­ brane, Hubzylinder oder Antriebsmotoren zur Hin- und Herbewe­ gung der Platte vorgesehen sind.