Belufien hochviskoser nicht-Newtonscher Losungen in Blasensaulen*

Adrian Schumpe, Khanh Nguyen-tien und Wolf- Dieter Deckwer**

Fermentationsmedien zeigen vielfach ein hochviskoses, stark nicht- Newtonsches FlieRverhalten. WlDrige Polymerlosungen, wie die pseudoplastischen Losungen von CMC (Carboxymethylcellulose), konnen bereits bei geringen Konzentrationen diese Eigenschaften simulieren und wurden vielfach als Modellmedien fur Untersuchun- gen zum Stoffiibergang eingesetzt. Der Sauerstoff-Eintrag in solche, in Blasensaulen beliiftete Modellmedien wurde von Birchholz et al. [l] sowie von Naknnoh und Yoshida [2] untersucht. Die aus den MeRdaten entwickelten empirischen Korrelationen [2, 31 fur die volumetrischen Stoffiibergangszahlen k,a weisen jedoch extrem unterschiedliche Abhangigkeiten von der Gasgeschwindigkeit und der effektiven Viskositat auf. Die mit Hilfe der Korrelationen vorausgesagten k,a-Werte unterscheiden sich um mehrere 100%. Es erschien uns deshalb notwendig, die Stoffaustausch-Eigenschaften von CMC-Losungen bei ihrer Begasung in Blasensaulen erneut zu untersuchen. Die Messungen wurden in einer Blasensaule (BC 11) von 14cm innerem Durchmesser und einer Hohe von 270 cm durchgefuhrt, die zur Gasverteilung wahlweise rnit einer Sinterplatte (mittlere Poren- groBe 0,2 mm), verschiedenen Lochplatten (Bohrungen von O S ; 1 und 2 mm) und einer Gummiplatte (ca. 1000 Durchstiche rnit einer kalten Nadel von 0,3 mm) ausgestattet werden konnte. Es wurden CMC-Losungen mit einer Konzentration von 0,7 bis 2,O Gew.-% eingesetzt. Der Gasgehalt wurde nach der manometrischen Methode und die Phasengrenzflache fotografisch sowie nach der Sulfitoxidations- Methode ermittelt. Die k,a-Werte wurden durch Anpassung gemessener Profile der 0,-Fliissigphasekonzentration rnit Hilfe eines

BC I + 11. S P [0,15 - 0,2 mrn 1 Homogene Stromung GroOMasenstromu

EG

0.20

0.t 0

0,05

0.02

0.01 LBP' I I I I I I I I I 1 1 1 1 l 1 I

0.5 1 2 5 10 20

Gasgehalte tiir CMC-Losungen (3 0,8 Gew.-%). E E m f iG [cm s-'1

Abb. 1.

* Auszugsweise vorgetragen von A. Schirmpe aufdem Int. Symp. on Mass Transfer with Chemical Reactions in Two-Phase Systems, ACS Meeting, Atlanta, USA 1981.

** Dr. A. Schirmpe, Dip1.-Chem. K. Nguyen-tien, Institut fur Technische Chemie, Univ. Hannover (TH), Callinstr. 3, 3000 Hannover 1, und Prof, Dr. W.-D. Deckwer, Fachbereich Chemie, Univ. Oldenburg, Postfach 2503, 2900 Oldenburg.

geeigneten Dispersionsmodells ermittelt, wobei sich zusltzlich die Dispersionskoeffizienten der fliissigen Phase ergaben'. Der Gasgehalt wurde zusatzlich in einer Blasensiiule von 10,2 cm innerem Durch- messer und 236cm Hohe gemessen, die mit einer Sinterplatte (0,15 rnm Porenweite) ausgestattet war.Aul3erdem wurde bei einigen Messungen die Blasenschwarmgeschwindigkeit sowie der Anteil der Klein- und GroB- bzw. Kolbenblasen (Slugs) ermittelt.

0 2 L 6 mm UG [cm S-'I

Abb. 2. Stoffubergangszahlen in Fermentationsbriihen von Peni- cillium chrysogenum (Nahrmedien 1 u. 2) nach Konig [5] und Vorhersagen nach (A) Henzler [3], (B) Nakanoh und Yoshida [2] und (C) dieser Arbeit, s. GI. (3).

Abb. 1 zeigt gemessene Gasgehalte fur verschiedene Gasverteiler in Abhangigkeit von der Gasgeschwindigkeit. In der gewahlten doppeltlogarithmischen Darstellung laat sich in allen Stromungsbe- reichen E , unabhangig vom CMC-Gehalt durch Geraden approxi- mieren. Bei homogener Stromung (Begasung rnit Sinterplatten) ergibt sich unabhangig vom Saulendurchmesser

E, = 0,091 (U,)0385 , (1 1

wobei Ir, incm/s einzusetzen ist. Im Bereich der GroRblasenstromung ist cG unabhangig vorn Gasverteiler, und fur die grooere Saule (BC 11) gilt

E~ = 0,032 (UG)0.674 . (2)

Fur die kleinere Saule (BC I) ergeben sich aufgrund der kleineren Aufstiegsgeschwindigkeiten etwas groBere Gasgehalte. Die in der Fliissigphase gemessenen 0,-Profile wurden nach dem Dispersionsmodell ausgewertet [41, wobei sich eine hervorragende Beschreibung ergab, wenn beide Parameter, namlich der Disper- sionskoefizient D , und die volumetrische Stoffiibergangszahl k,a, gleichzeitig optimiert wurden. DieD,-Werte liegen fur die hochvisko- sen nicht-Newtonschen Medien iiberraschenderweise hoher, als man nach den iiblichen Korrelationen erwarten wiirde [4]. Die Ursache dafur diirfte in den hohen Aufstiegsgeschwindigkeiten der Kolben- blasen liegen, die fur eine intensive Makro-Turbulenz in der fliissigen Phase sorgen. Genauere Untersuchungen iiber diesen Befund befinden sich in Vorbereitung. Die fur den GroRblasen-Bereich, der fur CMC-Losungen schon bei Gasgeschwindigkeiten urn 2 cmjs anEingt, erhaltenen k,n-Werte lassen sich durch folgende einfache Korrelation erfassen :

886 Chem.-1ng.-Tech. 53 (1951) Nr. 11, S . 886-587 Verlag Chemie GmbH, D-6940 Weinheim 1951 0009-286X/51/11 11-0586$02.50/0

Im Vergleich zu der Korrelation von iVaktuioh und Yoshida [2] ergeben sich etwas niedrigere.gegenuber der von Henzler[3] aufBasis der PvleRwerte von Buchhol; u. a. [ I ] entwickelten Korrelationen erheblich kleinere Stoffibergangszahlen. Wie Abb. 2 zeigt, be- schreibt GI. (3)jedoch ausgezeichnet die in Penicillin-Fermentations- medien in einer Blasensaule von 20 cm innerem Durchmesser ermittelten Sauerstoff-Ubergangszahlen (k ,n) [ 5 ] , wobei die Fermen- tationsbriihen ein noch starkeres strukturviskoses Verhalten aufwei- sen als die verwendeten Modellmedien

I 1 1

BC I I GroOblasenstrornung

PP 0.5 rnrn

PP 2.0rnrn

0 10 20 30

Abb. 3. blasen-Bereich.

Korrelation der spezifischen Phasengrenzflachen im GroO-

Auch die mit der Sulfitoxidations-Methode im GroOblasen-Bereich ermittelten spezifischen Phasengrenzflachen a f i r CMC-Losungen lassensich, wieAbb. 3zeigt,durcheineeinfache Korrelationerfassen, wobei nur die Gasgeschwindigkeit und die effektive Viskositat eingehen. Mit Kenntnis von a lassen sich aus den k,a-Werten auch die

Stoffubergangskoefzienten k, errechnen. Diese liegen im Gegensatz zu den Ergebnissen anderer Autoren [6] im erwarteten Bereich von 0,Ol bis 0,014cm/s und sind praktisch unabhangig von der Gasgeschwindigkeit. Sie weisen eine Proportionalitat zu qeip.32 auf. Die Untersuchungen ergeben insgesamt ein in sich abgerundetes und konsistentes Bild von den Stoffaustausch-Eigenschaften in CMC- Modellmedien. Die aufgestellten Korrelationen sind, wie am Beispiel der Beziehung fur die k,a-Werte gezeigt wurde, auf reale Fermenta- tionsbruhen anwendbar. Es sei noch darauf hingewiesen, daR im homogenen Betriebsbereich, d . h. bei Verwendung feinporiger Gasverteiler und bei geringen Gasdurchsatzen, die Sauerstoff- Eintragung sehr effektiv ist, da sich vergleichsweise hohe Gasanteile, Phasengrenzflachen und Stoffibergangszahlen erzielen lassen. Auch die Durchmischungskoeffzienten der Fliissigphase sind bemerkens- wert hoch. Besondere Vorteile bei kleinen Gasgeschwindigkeiten verspricht die Gummiplatte, deren Elastizitat zudem Verstopfungs- gefahren wie bei Sinterplatten ausschlieBt.

Eingegangen am 2. Juli 1981

Schlusselworte: Blasensaule, CMC-Losungen, Fermentationsme- dien, Gasgehalt, Phasengrenzfliche, Stoffubergangszahlen.

[I] Buchholz, H.; Buchholz, R.; Liicke, J . ; Schiigerl, K.: Chem. Eng.

[2] Nakanoh, M . ; Yoshida, F. : Ind. Eng. Chem., Process Des. Dev. 19

[3] Henzler, H.-J.: Chem.-1ng.-Tech. 52 (1980) S. 643. [4] Deckwer, W.-D.; Burckhart, B. ; Zoll, G . : Chem. Eng. Sci. 29

[S] Kiinig, B.: Dissertation, Univ. Hannover 1980. [6] Franz, K.; Buchholz, R.; Schiigerl, K.: Chem. Eng. Commun. 5

Sci. 33 (1978) S. 1061.

(1980) S. 190.

(1974) S. 2177.

(1980) S. 165 u. S. 187.

Chem.-1ng.-Tech. 53 (1981) Nr. 11, S. 886-887 887