DE3536349A1

DE3536349A1 - Festbettreaktor fuer biochemische prozesse

Info

Publication number: DE3536349A1
Application number: DE19853536349
Authority: DE
Inventors: Johann Dr Meseth
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-10-11
Filing date: 1985-10-11
Publication date: 1987-04-16

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festbettreaktor für chemische oder biochemische Prozesse mit einem Reaktorbehälter, mit einem Substrateinlaß, einem Gasauslaß, einem Produktauslaß und mindestens einem Festbett.

Festbettreaktoren für chemische und biochemische Produktionsverfahren sind bekannt. Sie bestehen im allgemeinen aus einem druckfesten Reaktorbehälter mit einer regellosen Schüttung kleiner Füllkörper. Die Oberfläche dieser Füllkörper ist bei chemischen Prozessen mit dem Katalysatormaterial beschichtet, sofern diese Füllkörper nicht gleich selbst aus dem Katalysatormaterial gefertigt sind. Bei biochemischen Prozessen dienen die Füllkörper als Träger der Zoonosen bzw. der Bakterienstämme. Bei mehrstufigen Produktionsverfahren sind in der Regel so viele Festbettreaktoren hintereinander geschaltet, wie Produktionsstufen vorgesehen sind. In jedem der einzelnen in Serie geschalteten Festbettreaktoren findet eine bestimmte chemische bzw. biochemische Umsetzung statt. Die einzelnen Reaktorbehälter sind dann durch Leitungen mit entsprechenden Pumpen und der dazugehörigen Leittechnik verbunden. Es sind auch schon Reaktorbehälter bekannt, bei denen eine regelmäßige Anordnung von speziellen Einbauten statt der regellosen Schüttung von Füllkörpern vorgesehen ist.

Bei chemischen, insbesondere aber bei biochemischen Produktionsverfahren wird im allgemeinen eine Optimierung des Verfahrens hinsichtlich des Bakterienstammes bzw. der Katalysatorzusammensetzung, des pH-Wertes, des Druckes, der Temperatur, der Strömungsgeschwindigkeit und anderer Produktionsparameter im Labormaßstab vorgenommen. Dieser bewegt sich in der Größenordnung von wenigen Litern. Anschließend werden die geometrischen Dimensionen der einzelnen Reaktoren schrittweise vergrößert. Diese Vergrößerung der Volumina erfolgt im allgemeinen um das fünf- bis zehnfache. Weil sich mit der Vergrößerung der Volumina zwangsläufig die Strömungsbedingungen und Temperaturverhältnisse ändern und man beim Vergrößern sehr schnell aus den optimierten Produktionsbedingungen herausrutschen kann, ist ein direkter Übergang vom Labormaßstab zu industriell rentablen Produktionsgrößen nicht möglich. Bei Produktionsanlagen, die üblicherweise in der Größenordnung von 100 cbm liegen bedeutet diese allmähliche Anpassung fünf und mehr Einzelschritte, bei denen die Umsatzvolumen jeweils um das fünf- bis zehnfache vergrößert werden. Das führt zu langwierigen und kostspieligen Anpassungsprozessen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Weg zu weisen, wie ausgehend von im Labormaßstab erprobten und optimierten chemischen oder biochemischen Verfahren möglichst rationell zum industriellen Einsatz dieser Verfahren übergegangen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch das Merkmal des Hauptanspruchs gelöst. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen 2 bis 25 zu entnehmen.

Infolge der Aufteilung des Festbettes eines Festbettreaktors in mehrere voneinander durch Zwischenwände getrennte Teilvolumina können die Abmessungen jedes einzelnen Festbetteinsatzes bedeutend kleiner gehalten werden. So kann das Teilvolumen eines Festbetteinsatzes beispielsweise beim zehnfachen des Labormaßstabes verbleiben, auch wenn die Gesamtsumme aller im erfindungsgemäßen Festbettreaktor untergebrachten Teilvolumina um mehrere Zehnerpotenzen größer und damit im industriell rentablen Größenbereich liegen kann. Der Schritt vom Labormaßstab zum industriellen Maßstab wird somit bedeutend verkürzt und verbilligt. Der Gesamtumsatz eines solchen Festbettreaktors kann durch die Anzahl der parallel zueinander geschalteten Teilvolumina an die jeweiligen industriellen Bedürfnisse angepaßt werden.

Es kann besonders vorteilhaft sein, wenn die einzelnen Teilvolumina des Festbettes in Ausgestaltung der Erfindung untereinander in Serie geschaltet sind. Hierdurch wird es möglich, auch mehrstufige Produktionsverfahren in ein- und demselben Reaktorbehälter in den verschiedenen Teilvolumina des Festbettes ablaufen zu lassen. Bei mehrstufigen Verfahren wird so die Zahl der erforderlichen Reaktorbehälter für die einzelnen Festbettreaktoren eingespart. Diese Einsparung ist jedoch bedeutsam, da wesentliche Investitionskosten gerade durch die druck- und standfesten Gehäuse der Festbettreaktoren entstehen. Demgegenüber können die inneren Einbauten der einzelnen Festbettreaktoren zur Unterteilung der Reaktionsvolumina, die nur geringe Druckdifferenzen aushalten müssen, aus einfachen preiswerten Bauelementen, wie etwa aus Kunststoffplatten bestehen. Zugleich wird durch diese Maßnahme auch die Zahl der Rohrleitungen, der Pumpen und der Aufwand für die dazugehörige Leittechnik deutlich verringert.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Festbettreaktor für aufsteigende Substratströmung,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1

Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt durch eine Glocke eines Glockenbodens der Fig. 1,

Fig. 4 einen anderen erfindungsgemäßen Festbettreaktor für absteigende Substratströmung,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V der Fig. 4

Fig. 6 einen vergrößerten Querschnitt durch eine Doppelglocke eines Glockenbodens der Fig. 4,

Fig. 7 eine schaubildliche Darstellung eines Formsteines,

Fig. 8 eine vergrößerte Darstellung der Ecke des Formsteines der Fig. 6,

Fig. 9 eine Darstellung eines regelmäßig struktuierten Festbettes mit gradzahliger Steinlage und

Fig. 10 eine Darstellung eines regelmäßig struktuierten Festbettes mit ungradzahliger Steinlage und

Fig. 11 eine schaubildliche Darstellung eines anderen Formsteines.

Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Festbettreaktor 1. Der Durckbehälter 2 des Festbettreaktors hat, wie die Fig. 2 verdeutlicht, einen zylindrischen Querschnitt. Er trägt sowohl in der unteren Mitte als auch im Bereich seiner oberen Abschlußkalotte 3 je einen Glockenboden 4, 5. In den beiden Abschnitten 6, 7 unterhalb der Glockenböden 4, 5 sind in zwei Ebenen jeweils vierzehn zylindrische Festbetteinsätze 8 bis 25 in hier nicht weiter dargestellter Weise befestigt. Diese Festbetteinsätze haben einen zylindrischen Querschnitt und sind parallel zueinander in äquidistanten Abstand im Druckbehälter angeordnet. Die zylindrischen Hüllwände 26 bis 43 der einzelnen Festbetteinsätze 8 bis 25 sind an ihren oberen und unteren offenen Enden mit je einem Tragrost 44 bis 59 für das Füllmaterial 60 versehen. Das Füllmaterial ist im Ausführungsbeispiel mit einem für die vorgesehene Reaktion ausgewählten Bakterienstamm belegt. Wie die Schnittdarstellung längs der Linie II-II in der Fig. 2 zeigt, sind im Druckbehälter 2 des Ausführungsbeispiels in zwei Ebenen achtundzwanzig solche zylindrische Festbetteinsätze 8 bis 25 untergebracht. Die Zwischenräume 61, 62 zwischen den Hüllwänden 26 bis 43 der Festbetteinsätze 8 bis 25 dienen als Rezirkulationskanäle. Die Glocken 63 bis 70 der Glockenböden 4, 5 sind jeweils zentrisch über den einzelnen Festbetteinsätzen 8 bis 25 angeordnet. Zentrisch zu den Glocken sind auf der Unterseite eines jeden Glockenbodens 4, 5 ringförmige Ansätze 71 bis 78 angeschweißt, die im Durchmesser mindestens so groß sind, wie die Durchmesser der Hüllwände 26 bis 43. Unmittelbar am Boden 79 des Druckbehälters befindet sich eine Substratzuführungsleitung 80 sowie eine Gaszuführungsleitung 81. Diese beiden Zuführungsleitungen besitzen Austrittsöffnungen 82 bis 93, die unterhalb eines jeden Festbetteinsatzes 8 bis 11 angeordnet sind. An der oberen Abschlußkalotte 3 des Druckbehälters 2 ist eine Abgasleitung 94 angeschlossen. In dem Zwischenraum in dem oberen Glockenboden 5 und der oberen Abschlußkalotte 3 des Druckbehälters mündet eine nach oben offene Produktabführungsleitung 95.

Die Fig. 3 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Schnitt durch eine in den Glockenboden 4 eingelassene Glocke 65. Diese besteht aus einem im Glockenboden 4 eingeschweißten, nach oben hin vorstehenden Rohrstutzen 96 sowie aus einer über diesen Rohrstutzen über hier nicht weiter dargestellte Stegel im Abstand übergestülpt gehaltene glockenartige Abdeckkalotte 97. Der Rand 98 der glockenartigen Abdeckkalotte 97 hat einen geringeren Abstand von der Oberfläche des Glockenbodens 5 als der obere Rand des Rohrstutzens 96.

Beim Betrieb des in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Festbettreaktors 1 wird das Substrat über die Substratzuführungsleitung 76 in den Druckbehälter 2 eingeleitet. Das Substrat durchflutet die einzelnen Festbetteinsätze 8 bis 11 und die als Rezirkulationskanäle ausgebildeten Zwischenräume 61 zwischen den Hüllwänden 26 bis 29 der einzelnen Festbetteinsätze. Beim Erreichen des Glockenbodens 4 steigt es durch die Durchlässe im Glockenboden hindurch und durchflutet auch die darüberliegenden Festbetteinsätze 12 bis 25 bis zum oberen Glockenboden 5. Sodann durchdringt es die Durchlässe im oberen Glockenboden und steigt dort bis zum oberen Rand der Produktabführleitung 95. Hier bildet sich ein freier Flüssigkeitsspiegel, weil bei weiterer Zuführung von Flüssigkeit diese über diese Produktabführleitung abfließen würde.

Innerhalb der Festbetteinsätze 8 bis 25 wird das Substrat durch die an dem Füllmaterial 60 angelagerten Bakterienstämme umgesetzt. Das dabei entstehende Produktgas strömt innerhalb der einzelnen Hüllwände 26 bis 43 nach oben. Es schiebt dabei Substratflüssigkeit vor sich her und zieht frische Substratflüssigkeit durch die Tragroste 48 bis 51, 56 bis 59 am unteren Ende der Hüllwände nach. Oberhalb der einzelnen Festbetteinsätze 8 bis 11 steigen die Gasblasen bis zum Glockenboden 5 hoch, werden in den am unteren Ende des Glockenbodens befindlichen ringförmigen Ansätzen 71 bis 74 gesammelt um dann durch die Rohrstutzen 96 in den darüber befindlichen Abschnitt 7 des Druckbehälters 2 zu steigen. Dort perlen sie unter den Rand 98 der glockenartigen Abdeckkalotte 97 hoch und gelangen von der Abdeckkalotte der Glocken 63 bis 67 unter den jeweils darüber befindlichen Festbetteinsatz 12 bis 25. Auch hier schieben die Gasblasen beim Aufstieg durch die lose Schüttung die Substratflüssigkeit vor sich her und saugen dabei frische Substratflüssigkeit von unten durch die Tragroste 56 bis 59 an. Oberhalb des Festbettes steigen die Gasblasen in der eingangs geschilderten Weise durch die Durchlässe im Glockenboden 5 in den Gasraum oberhalb des freien Flüssigkeitsspiegels auf. Das Produktgas kann dort durch die Abgasleitung 94 abgezogen werden. Weil durch den hydostatischen Auftrieb der Gasblasen in den einzelnen Festbetteinsätzen deutlich mehr Substratflüssigkeit durchgedrückt wird als durch die Substratzuführungsleitung 80 in den Druckbehälter 2 eingespeist wird, führt dies zwangsweise zu einer absteigenden Substratströmung in den einzelnen Rezirkulationskanälen 61, 62 zwischen den Festbetteinsätzen. Somit strömt der Großteil des Substrats mehrmals durch das Füllmaterial der Festbetteinsätze einer jeden Ebene, bevor es bei Nachfüllung frisches Substrates über die Substratzuführungsleitung 80 durch die Durchlässe in den Glockenböden nach oben und schließlich in die Produktabführungsleitung 95 strömt.

Bei kontinuierlichem Betrieb des Festbettreaktors 1 wird das Substrat teilweise in den unteren Festbetteinsätzen 8 bis 11 umgesetzt und gelangt so in den Abschnitt 7 oberhalb des unteren Glockenbodens 4 um dort in den dortigen Festbetteinsätzen 12 bis 25 weiter umgesetzt zu werden. Mit der Zeit führt das dazu, daß sich oberhalb des unteren Glockenbodens eine andere Qualität des Substrats einstellt als unterhalb desselben. Dieser Qualitätsunterschied wird umso größer, je mehr die Substratzuführung gegenüber dem Substratdurchsatz durch alle in einer Ebene angeordneten Festbetteinsätze zurückgenommen wird. Dies ermöglicht es, anders geartete, d. h. an die andere Substratqualität besser angepaßte Bakterienstämme in den übereinander angeordneten Festbetteinsätzen und gegebenenfalls dort auch andere Produktionsstufen vorzusehen.

Durch die Gaszuführungsleitung 81 kann zusätzliches Gas durch die Festbetteinsätze 8 bis 25 geleitet werden. Hierdurch läßt sich die Substratströmung in den einzelnen Festbetteinsätzen beschleunigen. Als Gas eignen sich das oben an der Abgasleitung abgezogene Abgas wie auch Kohlendioxid oder Stickstoff. Durch stoßweises Einblasen größerer Gasmengen lassen sich die Strömungsgeschwindigkeiten zwischen den einzelnen Körnern des Füllmaterials der Festbetteinsätze so stark erhöhen, daß örtlich Zusetzungen oder Verstopfungen beseitigt werden können. Zu diesem Zweck kann das Abgas in einen in der Fig. 1 angedeuteten Druckspeicher 99 gepumpt werden, um von Zeit zu Zeit stoßweise über das Ventil 100 der Gaszuführungsleitung 81 entleert zu werden.

Es ist ein besonderer Vorteil dieses Festbettreaktors 1, daß die einzelnen Festbetteinsätze nur in einem vertretbaren Maße gegenüber dem ursprünglichen Laboratoriumsmaßstab vergrößert zu werden brauchen, so daß annähernd vergleichbare Produktionsbedingungen gegenüber den Laborbedingungen eingehalten werden können, und daß trotzdem wegen der vielen parallelgeschalteten Festbetteinsätze mit industriell wirtschaftlichen Betriebsgrößen gearbeitet werden kann. Somit kann z. B. bei einer noch zulässigen 10-fachen Vergrößerung der Festbettvolumina gegenüber dem Labormaßstab bei vierzehn Festbetteinsätzen je Ebene eine 140-fache Vergrößerung des Durchsatzes je Ebene erreicht werden. Dieser Vergrößerungsfaktor läßt sich durch bloßes Vervielfachen der Zahl der Festbetteinsätze noch weiter steigern.

Die Fig. 4 zeigt einen anderen erfindungsgemäßen Festbettreaktor 101, der sich besonders für solche Herstellverfahren eignet, bei dem das Substrat aus Verfahrensgründen von oben nach unten strömen muß. Bei diesem Festbettreaktor ist der Druckbehälter 102, ähnlich wie in der Fig. 1 dargestellt, ausgebildet. So sind auch hier zwei Glockenböden 103, 104 im Druckbehälter eingefügt. Unterhalb jedes der beiden Glockenböden sind im Ausführungsbeispiel je zwölf Festbetteinsätze 105 bis 120 (nur 16 dargestellt) parallel zueinander angeordnet. Abweichend vom Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind jedoch die Festbetteinsätze 105 bis 116 unterhalb des unteren Glockenbodens 103, wie noch gezeigt wird, mit Formsteinen 121 (Fig. 7) ausgefüllt und haben, wie auch der Druckbehälter 102, einen rechteckigen Querschnitt. Die Hüllwände 122 bis 125 der oberen Festbetteinsätze 117 bis 120 belassen zwischen sich einen Freiraum 126 für die Rezirkulation des Substrats, während die Hüllwände 127 bis 131 der unteren Festbetteinsätze 105 bis 116 im Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 5 zu sehen ist, ein rechteckigen Raster bilden. Ihre Festbetteinsätze 105 bis 116 grenzen unmittelbar aneinander. Diese Hüllwände sind außerdem bis unmittelbar an den unteren Glockenboden 103 herangeführt. Dabei sind auch hier die Festbetteinsätze oberhalb des unteren Glockenbodens über den Durchlässen im Glockenboden und diese wiederum über je einen Festbetteinsatz unterhalb dieses Glockenbodens angeordnet.

Am unteren Ende des Druckbehälters 101 befindet sich eine Gaszuführungsleitung 132 mit Austrittsöffnungen 133 bis 136 unterhalb der jeweiligen Festbetteinsätze 105 bis 116. Der obere Glockenboden boden 104 trägt auf seiner Unterseite ringförmige Ansätze 137 bis 140, die mit ihrem Durchmesser dem der zylindrischen Hüllwände 122 bis 125 der Festbetteinsätze 117 bis 120 fluchtend angepaßt sind. Zentrisch zu diesen ringförmigen Ansätzen sind mit Doppelglocken 141 bis 144 im Glockenboden 104 vorgesehen. Weitere Doppelglocken 145 bis 147 sind im unteren Glockenboden 103 über jedem Festbetteinsatz 105 bis 116 angebracht. Das Produktgas wird wiederum am oberen Ende des Druckbehälters 102 über eine Abgasleitung 149 abgezogen. Die Substratzuführungsleitung 150 befindet sich hier abweichend vom Ausführungsbeispiel der Fig. 1 am oberen Ende des Druckbehälters 102 und die Produktführungsleitung 151 am unteren Ende desselben.

Die Fig. 6 zeigt in vergrößerter Darstellung den Aufbau einer Doppelglocke 142 des Glockenbodens 104 der Fig. 4. Man erkennt hier, daß bei dieser Doppelglocke wiederum ein Rohrstutzen 152 in den Glockenboden 104 so eingeschweißt ist, daß er nach oben herausragt. Dieser Rohrstutzen 152 ist ähnlich wie bei der in der Fig. 3 gezeigten Glocke 65 wiederum mit einer unteren Abdeckkalotte 153 überdeckt, deren Rand 154 über den oberen Rand des äußeren Rohrstutzens 152 herabgezogen ist. Jedoch ist diese untere Abdeckkalotte ihrerseits wiederum zentrisch zum äußeren Rohrstutzen 152 mit einem zweiten sogenannten inneren Rohrstutzen 155 versehen, der sowohl nach oben, wie auch nach unten aus der Ebene der Abdeckkalotte 153 herausgeführt ist. Dabei ragt er tiefer nach unten als der obere Rand des äußeren Rohrstutzens 152. Dieser innere Rohrstutzen 155 ist wiederum mit einer eigenen oberen Abdeckkalotte 156 überdacht, die ähnlich sie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ausgeführt ist.

Die Fig. 7 zeigt in perspektivischer Darstellung einen der Formsteine 121, wie sie in den Festbetteinsätzen 105 bis 116 unterhalb des unteren Glockenbodens 103 des Festbettreaktors 101 der Fig. 4 verwendet sind.

Man erkennt die vier großen Durchbrüche 157, 158, 159, 160, die nur dünne Wandstege übrig lassen. Ein bevorzugtes Material für die Herstellung eines solchen Formsteins ist Poroton. Dieses ist in der Herstellung billig und zugleich ausreichend fest, um in größerer Höhe übereinander gestapelt zu werden. Zugleich ist es ausreichend porös, um als Trägermaterial für Bakterienstämme oder Zoonosen zu dienen. Die Durchbrüche unterteilen die Formsteinflächen in zwei gleichgroße Hälften. Dies erlaubt es, diese Formsteine so übereinander zu schichten, daß die einzelnen Formsteine einander in aufeinander liegenden Steinlagen überlappen können und die Durchbrüche dennoch übereinander zu liegen kommen.

In der Fig. 8 ist in vergrößerter Darstellung eine bevorzugte Ausbildung der Wandstege im Bereich der Ecken der Durchbrüche 157 bis 160 gezeigt. Diese bestehen aus einem zylindrischen Durchgangsloch 161 von ca. 2 bis 10 mm Durchmesser und einem dieses Durchgangsloch in seiner gesamten Länge mit dem Durchbruch verbindenden Schlitz 162 von weniger als 5 mm Stärke. Diese Durchgangslöcher 161 erlauben eine verstärkte Strömung von Gasblasen und einen schnelleren Austausch von Substrat im Festbetteinsatz.

In der Fig. 9 ist eine ungradzahlige und in der Fig. 10 eine gradzahlige Steinlage für solche Formsteine 121 gezeigt. Beim Übereinanderstapeln der einzelnen Steinlagen der Fig. 9 oder 10 wird die jeweils nächste Steinlage um eine halbe Formsteinlänge versetzt angeordnet. Bei der in der Fig. 7 und 11 gezeigten Anordnung der Durchbrüche 157 bis 160, 176 bis 179 in den Formsteinen 121, 175 bleiben dabei die einzelnen Durchbrüche der Steine übereinander angeordnet und bilden sogenannte Kamine. Diese lassen sich nach der Fertigstellung der Festbetteinsätze 105 bis 108 von oben mit beispielsweise Blähtonküchelchen oder anderem, regellos geschütteten, Füllmaterial ausfüllen. Dabei wird lediglich dafür gesorgt, daß die in den Fig. 9 und 10 in den einzelnen Steinlagen eingebauten und schraffiert angedeuten Freiräume 163 bis 170 - die sich wie Kamine durch alle übereinanderliegenden Steinlagen durchziehen und Rückströmkanäle bilden - nicht mit Füllmaterial aufgefüllt werden.

Als Füllmaterial sowohl für die regellosen Schüttungen der Festbetteinsätze der Fig. 1 und der Fig. 4 oberhalb des unteren Glockenbodens 103, als auch als Füllmaterial für die Füllung der Durchbrüche 157 bis 160, 176 bis 179, der Formsteine 121, 175 eignet sich Material mit offenen Poren unterschiedlicher Größe, das zwischen sich noch genügend Freiräume beläßt, so daß noch Gasblasen hindurch aufsteigen können. Hierbei haben sich Blähtonkügelchen von 4 bis 16 mm Durchmesser besonders bewährt. Insbesondere wenn ihre feinporige Oberfläche abgetragen, oder die Blähtonkügelchen gebrochen wurden, so daß ihre größeren inneren Poren freigelegt wurden, eigneten sie sich gut zur Besiedlung mit Bakterien oder Zoonosen.

Bei der Inbetriebsetzung dieses in der Fig. 4 im Längsschnitt dargestellten Festbettreaktors 101, der insbesondere für chemische und biochemische Produktionsverfahren geeignet ist, bei dem die beteiligten Bakterien durch Flotationseffekte nach oben getragen werden, wird das Substrat oberhalb des oberen Glockenbodens 104 eingeleitet und strömt durch die unteren Überläufe der einzelnen Doppelglocken 141 bis 144 hindurch über die Rückstromkanäle 126 zu den unteren Rosten der einzelnen Festbetteinsätze 117 bis 120 und durchdringt deren Schüttungen in aufwärts gerichteter Strömung. Ein Teil der in den Rückströmkanälen 126 abwärts fließenden Flüssigkeit gelangt über den unteren Glockenboden 103 und den in ihnen eingelassenen Doppelglocken 145 bis 148 in die darunter angeordneten Festbetteinsätze 105 bis 116 mit den in Steinlagen der Formsteine 121 geführten Blähtonkügelchen. Wenn zwischen den Festbetteinsätzen 105 bis 116 keine Rückströmkanäle vorgesehen wären, würde beim kontinuierlichen Betrieb das Substrat im Bereich der Schüttungen dieser Festbetteinsätze lediglich nach unten, die Gasblasen dagegen nach oben strömen. Im Ausführungsbeispiel jedoch, bei dem in den Festbetteinsätzen 105 bis 116 Rückstromkanäle 163 bis 170 eingelassen sind, strömt das Substrat im Bereich der regellosen Schüttungen von Blähtonkügelchen in den in regelmäßigen Steinlagen aufgeschichteten Porotonformsteinen 122 aufwärts und in den durch die Steinlagen durchgehenden Rückströmkanälen 163 bis 170 abwärts (Fig. 9, 10). Je nach Wahl der anteiligen Querschnitte der Rückströmkanäle bzw. der Strömungswiderstände in den Schüttungen kann dabei das Verhältnis von Mengenstrom in den Schüttungen zu Mengenstrom in den Rückströmkanälen in weiten Grenzen verändert werden. In beiden Fällen werden durch Flotationseffekte und auf andere Weise aus den Schüttungen herausgetragene Bakterienstämme oder Zoonosen entweder in dem Bereich der Zuführung des frischen Substrats gespült oder sie werden zum großen Teil über die Rückströmkanäle wieder von unten in die Schüttung zurückgeführt. Am unteren Ende des Druckbehälters 102 kann die Substratflüssigkeit, die die Schüttungen der oberen und unteren Festbetteinsätze je nachdem, ob Rückstromkanäle vorgesehen sind oder nicht, mehrmals oder nur einmal durchströmt hat, als Produkt über die Produktabführungsleitung 151 abgezogen werden.

Das in den einzelnen Festbetteinsätzen unterhalb eines Zwischenbodens 103, 104 gebildete Gas perlt, ähnlich wie anhand des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 gezeigt, innerhalb der ringförmigen Ansätze 137 bis 140 von unten gegen den Glockenboden 104 und steigt dann innerhalb der am Glockenboden angeschweißten Rohrstutzen 152, 155 auf und füllt dort die beiden übereinander angeordneten Abdeckkalotten 153, 156 aus. Dadurch, daß anders als beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 Substratflüssigkeit von oberhalb des Glockenbodens zugepumpt wird, ist der Druck dort höher als unterhalb eben diese Glockenbodens. Der Druck oberhalb des Glockenbodens steigt solange an, bis das Substrat unter den Rand 154 der unteren Abdeckkalotte 153 hoch steigt, und über den oberen Rand des äußeren Rohrstutzens 152 überläuft. Ist die untere Abdeckkalotte 153 mit Gas gefüllt, so kann dieses den Flüssigkeitsspiegel unter der unteren Abdeckkalotte 153 nicht unter das Niveau des oberen Randes des äußeren Rohrstutzens 152 absenken, sondern perlt nach Auffüllung dieser unteren Abdeckkalotte unter den unteren Rand des inneren Rohrstutzens 155 in die obere Abdeckkalotte 156 und füllt diese auf, bis es unter den Rand dieser oberen Abdeckkalotte nach oben perlt. Dabei stellt sich im inneren Rohrstutzen 155 infolge der kommunizierenden Oberflächen ein Flüssigkeitsspiegel ein, der um den gleichen Betrag h ₁ tiefer liegt, als der untere Rand der oberen Abdeckkalotte 156, wie der untere Rand des inneren Rohrstutzens 155 zum oberen Rand des äußeren Rohrstutzens 152. Somit bewirken diese Doppelglocken, daß das Gas über die oberen Abdeckkalotten 156 in den Flüssigkeitsraum oberhalb des jeweiligen Glockenbodens perlen kann, ohne das Nachströmen von Flüssigkeit über den Rand des äußeren, am Zwischenboden angeschweißten Rohrstutzens 152 zu behindern.

Die Fig. 11 zeigt lediglich einen weiteren Formstein 175, der ebenfalls mit vier Durchbrüchen 176, 177, 178 179 versehen ist. Im Unterschied zum Formstein 121 der Fig. 7 sind jedoch jeweils zwei Wandstege 180, 181 als Diagonale ausgebildet. Dies hat eine größere Festigkeit des Formsteines gegenüber Querkräften zur Folge und bildet in den spitzen Winkeln der diagonalen Wandbereiche beim Auffüllen mit Blähtonkügelchen auch ohne Durchgangslöcher 161 durchgehende freie Aufstiegsmöglichkeiten für Gasblasen und Substratflüssigkeit. Auch dieser Formstein läßt sich in den in den Fig. 9 und 10 gezeigten Steinlagen übereinanderschichten.

Bezugszeichenliste 1  Festbettreaktor
2  Druckbehälter
3  obere Abschlußkalotte
4, 5  Glockenboden
6, 7  Abschnitt
8, 9, 10, 11, 12 bis 25  Festbetteinsatz
26, 27, 28, 29, 30 bis 43  Hüllwand
44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53 54, 55, 56, 57, 58 59  Tragrost
60  Füllmaterial
61, 62  Zwischenräume
63, 64, 65, 66 67, 68, 69, 70  Glocke
71, 72, 73, 74 75, 76, 77, 78  Ansatz
79  Boden
80  Substratzuführungsleitung
81  Gaszuführungsleitung
82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93.  Austrittsöffnung
94  Abgasleitung
95  Produktabführleitung
96  Rohrstutzen
97  Abdeckkalotte
98  Rand
99  Druckspeicher
100  Ventil
101  Festbettreaktor
102  Druckbehälter
103, 104  Glockenboden
105, 106, 107, 108 109, 110, 111, 112, 113 bis 120  Festbetteinsatz
121  Formstein
122, 123, 124, 125  Hüllwand
126  Freiraum
127, 128, 129, 130, 131  Hüllwand
132  Gaszuführungsleitung
133, 134, 135, 136  Austrittsaöffnung
137, 138, 139, 140  ringförmiger Ansatz
141, 142, 143, 144, 145, 146, 147, 148  Doppelglocke
149  Abgasleitung
150  Substratzuführungsleitung
151  Produktabführungsleitung
152  Rohrstutzen (äußerer)
153  untere Abdeckkalotte
154  Rand
155  Rohrstutzen (innerer)
156  Abdeckkalotte (obere)
157, 158, 159, 160  Durchbrüche
161  Durchgangsloch
162  Schlitz
163, 164, 165  Freiraum
166, 167, 168, 169, 170  = (Rückstromkanäle)
171, 172, 173, 174  Rost
175  Formstein
176, 177, 178, 179  Durchbruch
180, 181  Wandsteg

Claims

1. Festbettreaktor für chemische bzw. biochemische Prozesse mit einem äußeren, festen Reaktorbehälter, einem Substrateinlaß, einem Gasauslaß, einem Produktauslaß und mindestens einem Festbett dadurch gekennzeichnet, daß das Festbett (8 bis 25, 105 bis 120) in mehrere voneinander durch Zwischenwände (26 bis 43, 122 bis 125, 127 bis 131) getrennte Teilvolumina aufgeteilt ist.

2. Festbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Teilvolumina (8 bis 25, 105 bis 120) zueinander parallel geschaltet sind.

3. Festbettreaktor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Teilvolumina (8 bis 11, 117 bis 120) in Serie zu anderen Teilvolumina (12 bis 25, 105 bis 116) geschaltet sind.

4. Festbettreaktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Rezirkulationskanäle (61, 62, 126, 163 bis 170) für das Substrat den einander parallel geschalteten Teilvolumina (8 bis 25, 105 bis 112) zugeordnet sind.

5. Festbettreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Glockenböden (4, 103) zwischen den untereinander in Serie geschalteten Teilvolumina (8 bis 25, 105 bis 120) eingeschaltet sind.

6. Festbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung des Substrats bei zum Aufschwimmen neigenden Bakterien von oben nach unten erfolgt.

7. Festbettreaktor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Glockenböden (103, 104) bei von oben nach unten gerichteter Strömung des Substrats mit Doppelglocken (141 bis 148) bestückt sind.

8. Festbettreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Serie geschalteten Teilvolumina (8 bis 25, 105 bis 120) übereinander angeordnet sind.

9. Festbettreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Serie geschalteten Teilvolumina nebeneinander angeordnet sind.

10. Festbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen zylindrische, oben und unten mit einer siebförmigen Tragstruktur (44 bis 59; 171 bis 174) verschlossene Hüllwände (26 bis 43, 122 bis 125 zur Aufnahme regelloser Schüttungen verwendet sind.

11. Festbettreaktor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Festbett aus Formstein (121, 175) aufgeschichtet ist.

12. Festbettreaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Formsteine (121, 175) in einer Weise in vielen Lagen übereinander geschichtet sind, die in regelmäßigen Abständen durch alle Lagen der Formsteine durchgehende Rückströmkanäle (163 bis 170) für das Substrat freiläßt.

13. Festbettreaktor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die unteren Mündungen der Rückstömkanäle (163 bis 170) einen über die untere Ebene der untersten Formsteinlage vorstehenden Rand bilden.

14. Festbettreaktor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Formsteine (121, 175) mit weiten, parallel zueinander ausgerichteten Durchbrüchen (157 bis 160, 176 bis 179) versehen sind.

15. Festbettreakter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (157 bis 160, 176 bis 179) der Formsteine (121, 175) bei der Übereinanderschichtung der Lagen kaminartige Strömungskanäle bilden

16. Festbettreaktor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (157 bsi 160, 176 bis 179) der Formsteine (121, 175) mit einer regellosen Schüttung aufgefüllt sind.

17. Festbettreaktor nach Anspruch 10 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erstellung der regellosen Schüttungen keramisches Material mit Poren unterschiedlicher Größe verwendet ist.

18. Festbettreaktor nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß Blähtonkugeln mit freigelegter innerer Oberfläche verwendet sind.

19. Festbettreaktor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Poroton-Ziegelformsteine (121, 175) verwendet sind.

20. Festbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am oberen Ende eines jeden Teilvolumens (8 bis 25, 105 bis 120) Entmischungszonen zur Trennung des Gases vom Substrat vorgesehen sind.

21. Festbettreaktor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Serie geschalteten Teilvolumina unterschiedliche Substratqualitäten enthalten.

22. Festbettreaktor nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Zoonosen bzw. Bakterien in den unterschiedlichen in Serie geschalteten Teilvolumina (8 bis 25, 105 bis 120) an die unterschiedliche Substratqualität angepaßt sind.

23. Festbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende der einzelnen Teilvolumina (8 bis 11, 105 bis 108) Gas zur Umwälzung des Substrates eindüsbar ist.

24. Festbettreaktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von Zeit zu Zeit stark vergrößerte Gasmengen zur Vermeidung örtlicher Verstopfungen eindüsbar sind.

25. Festbettreaktor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß dem Druckbehälter (102) ein Gasspeicher (99) zugeordnet ist, der mit einem Teil des abgezogenen Gases auffüllbar ist und zur kurzzeitigen Vergrößerung des eingedüsten Gasstromes heranziehbar ist.