Die Immobilisation adaptierter Bakterienstamme auf fluidisierten ti [-I Widerstandsziffer Sandpartikeln erlaubt eine gezielte Anpassung in biologischer und verfahrenstechnischer Hinsicht. Prinzipiell ist der Einsatz der immo- bilisierten Bakterien in verschiedenen Reaktortypen moglich. Bezug- lich der Hydrodynamik und des Stoffuberganges des dreiphasigen Sy- stems sowie seiner Wirtschaftlichkeit erweist sich der hier vorgestellte Suspensions-Airlift-Schlaufenreaktor als besonders gunstig.

Psusp [kg/m3] Dichte der Suspension

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Formelzeichen

Feststofflconzentration Erdbeschleunigung Hohendifferenz zwischen Ein- und Auslauf der AuBenschlaufe hydrostatische Druckdifferenz Substratkonzentration im Eingang und in der Bulk- Phase im Reaktor Zeit Suspensions-Leerrohrgeschwindigkeit Gasleerrohrgeschwindigkeit Partikelschwarm-Sinkgeschwindigkeit Biomasse-Konzentration (Trockengewicht) Gasgehalt

_ _ 1090.

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Flussigphase-Dispersion in einer uber eine Sinterplatte begasten Blasensgule

Adrian Schumpe und Wolf-Dieter Deckwer*

Herrn Professor Dr . Karl Schiigerl zum 60. Geburtstag

Die Flussigphase in Blasensaulen zeigt meist eine hohe Riickvermi- schung; bei groBerem Reaktordurchmesser kann sogar die Annahme von Ruhrkessel-Verhalten gerechtfertigt sein. In mancher Hinsicht, z. B. zur Erzielung hoher Umsatzgrade von Flussigphase-Reaktan- den, ist dieses Verhalten unerwunscht. Der Ruckvermischung kann durch Einbauten wie Lochboden entgegengewirkt werden. Anderer- seits zeigten Kijnig et al. [l], daB auch in einer einfachen Blasensaule geringe Dispersionskoeffizienten bei gleichzeitig hoher Stoffaus- tauschflache erzielbar sind, indem uber einen feinporigen Verteiler bei nicht zu hoher Gasleerrohrgeschwindigkeit begast wird. Unter diesen Bedingungen ist die fur die hohe Riickvermischung in Blasen- saulen wesentliche Zirkulationsstromung wenig ausgepragt. Andererseits wurden bei der Begasung viskoser, pseudoplastischer Losungen von Carboxymethylcellulose (CMC) uber eine Sinterplatte gerade bei niedrigen Gasgeschwindigkeiten hohe EL-Werte ermittelt [2]'). Die Interpretation der Messungen ist allerdings nicht eindeutig [3]. Auch fur geringe Abweichungen der Saulenachse von der Senk- rechten wird uber eine starke Erhohung der Ruckvermischung be- richtet [I, 41. In dieser Arbeit sollen die Einflusse einer geringen Nei- gung der Saule und erhohter Fliissigkeitsviskositat auf die Ruckver- mischung in einer Blasensaule mit Sinterplatten-Begaser untersucht werden.

1 Experimentelles

Die Messungen erfolgten in einer Glas-Blasensaule von 10,2 cm In- nendurchmesser bei einer Dispersionshohe von L = 235 cm. Als Gas-

* Dr. A. Schumpe und Prof. Dr. W.-D. Deckwer, Technische Chemie, Univ. Oldenburg, 2900 Oldenburg (beide jetzt: Gesellschaft fur Biotechnologische Forschung mbH, Mascheroder Weg 1, 3300 Braunschweig).

verteiler diente eine den Saulenquerschnitt erfullende Glas-Sinter- platte mit einer mittleren Porenweite von etwa 150 pm. Der Luft- durchsatz wurde mit MassendurchfluSmessern geregelt. Zur Absorp- tion von Kohlendioxid wurde die Luft in einer Fullkorpersaule rnit Natronlauge gewaschen. Als Flussigphase in der Blasensaule diente entionisiertes Wasser oder eine Losung von 1 % CMC in Wasser (n = 0,87; k = 0,075 mPa s"). Zur senkrechten Ausrichtung der Saule er- wies sich die visuelle Beobachtung der Blasenaufstiegswege bei gerin- ger Gasbelastung als besonders empfindlich. Als senkrecht wurde die Position angesehen, bei der auf allen Seiten gleiche Blasenaufstiegs- geschwindigkeiten beobachtet wurden. Neben dieser Position wur- den Neigungen um einen Winkel a von 1' in entgegengesetzten Rich- tungen untersucht. Der Gasgehalt wurde uber das manometrisch ermittelte Druckprofil zwischen 40 und 195 cm Hohe bestimmt. Die Messung der Disper- sionskoeffizienten erfolgte nach der instationaren Methode mit Lau- ge (KOH) bzw. Saure (H,SO,) als Spurstoff. Die Zugabe erfolgte schnellstmoglich aus einem Becherglas (50 ml) auf die Oberflache der Dispersion. Die pH-hderung wurde mit einer im Abstand I = 40 cm uber dem Gasverteiler eingefuhrten pH-Elektrode gemessen und mit einem Schreiber aufgezeichnet. Ausgehend von pH = 7 wurden An- derungen um 2 bis 2,5 pH-Einheiten durchgefuhrt, so daB die Aus- gangskonzentrationen an OH- (bzw. H+) vernachlassigbar war. Die Beeinflussung der Viskositat von CMC-Losungen ist in diesem pH- Bereich gering. Vorversuche unter Aufgabe von pH-Sprungen zeig- ten vernachlassigbar geringe Ansprechzeiten der pH-Elektrode, deren Zeitverhalten grundsatzlich sehr komplex ist [5]. Die Auswertung erfolgte nach der von Ohki und lnoue [6] angegebe- nen Losung fur den Konzentrations/Zeit-Verlauf

wobei fur die gewahlte Anordnung der Abstand zwischen MeBstelle und Quelle 6/L = 0,83 betragt. Berucksichtigt wurde ausschliealich die Mischzeit t fur den Sattigungsgrad c/cm = 0,5. Fur kleinere Satti- gungsgrade ergeben sich systematisch niedrigere, fur groBere Satti- gungsgrade hohere Dispersionskoeffizienten EL. Dieser Umstand

Chem.-1ng.-Tech. 59 (1987) Nr. 6, S. 489-491 0 VCH Verlagsgesellschaft mbH, D-6940 Weinheim, 1987 0009-286X/87/0606-0489 $ 02.50/0

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deutet auf die begrenzte Anwendbarkeit des Dispersionsmodells auf die Konvektionsvorgange in der Blasensaule hin. Die Abweichungen der fur verschiedene Sattigungsgrade ermittelten EL-Werte von bis zu +20% sind aber gering gegenuber den zu diskutierenden Effek- ten.

2 Relativer Gasgehalt

Abb. 1 zeigt den Gasanteil in Abhangigkeit von der Gasleerrohrge- schwindigkeit. An den MeBwerten in entionisiertem Wasser ist kein EinfluB der Neigung um 1' erkennbar. Der Kurvenverlauf zeigt drei Bereiche. Bis zu einer Gasgeschwindigkeit von etwa 3 3 cm/s herrscht homogene Blasenstromung vor. Bei hoheren Durchsatzen bis 9 cm/s treten turbulente Fliissigkeitsbewegungen und vereinzelt auch GroB- blasen auf, der Gasgehalt steigt aber noch an. Erst bei u, > 9 cm/s do- miniert die Blasenkoaleszenz, und der Gasgehalt sinkt auf auch mit Lochplatten erzielbare Werte.

I I I I I I

0.3

EG

0.2

0.1

0 0 5 10 1s

m u G . c m l s

Abb. 1. Relativer Gasgehalt in Wasser (0 a = 0, AV a = +lo) und 1 proz. CMC-Losung (0 a = 0, --- Schumpe und Deckwer [8]).

In der CMC-Losung konnte durch vorsichtige Steigerung des Gas- durchsatzes bis zu einer Leerrohrgeschwindigkeit von 2,8 cm/s eine homogene Blasenstromung aufrechterhalten werden. Der Gasgehalt stieg dabei bis auf 0,28, ein Wert, der in Wasser erst bei 9 cm/s erzielt wird. Der positive Effekt hoherer Viskositat im homogenen Stro- mungsbereich entspricht fruheren Ergebnissen [7]. Bei einer weite- ren Steigerung der Gasgeschwindigkeit sinkt der Gasanteil aber stark, weil Koaleszenz zu GroBblasen mit hoher Aufstiegsgeschwindigkeit stattfindet. Bei ausgebildeter Kolbenblasenstromung steigt der Gas- gehalt etwa entsprechend einer von Schumpe und Deckwer [8] vorge- schlagenen Korrelation.

3 Dispersion in Wasser

Die bei senkrechter Saulenausrichtung ermittelten Dispersionskoef- fizienten sind in Abb. 2 aufgetragen. Im Vergleich zu der vor allem fur Lochplatten bewahrten Korrelation nach Deckwer et al. [9]

ergeben sich deutliche Abweichungen. Im homogenen Stromungsbe- reich (u, < 3,5 cm/s) betragen die EL-Werte nur etwa 20 cm2/s. Der Beginn des Umschlags zu heterogener Stromung bewirkt eine plotzli-

1) Eine Zusammenstellung der Formelzeichen befindet sich am Schlul3 des Beitrages.

300

em' 1 s

200

100

0 ESza

5 10 uG, cm Is 15

Abb. 2. Dispersionskoeffizienten in Wasser bei senkrechter Saule (--- Konig et al. [l], -. - GI. (2)).

300

E,. cm'is

200

I00

n

pH - Bereich

a 7-5 7-9 I 7' I I i * I ' v v

- 1 ' A A 2

I I t o ------- I

bP /

d .---- I

0 5 10 15 u G . c m l s

Abb. 3. Saule um +lo.

Dispersionskoeffizienten in Wasser bei einer Neigung der

che Steigerung um mehr als den Faktor 10. Dieser Trend entspricht sehr gut den Ergebnissen von Konig et al. [l], die mit einer stationaren Methode in einer Blasensaule von 15,6 cm Durchmesser bei Bega- sung uber eine Sinterplatte (50 pm) erhalten wurden (Abb. 2). Bei weiterer Steigerung der Gasgeschwindigkeit zeigen die Dispersions- koeffizienten den gleichen Trend wie der Gasanteil: Nach dem Durchlaufen eines Maximums nahern sie sich den auch fur andere Begaser erwarteten Werten (GI. (2)). Den EinfluB einer Neigung der Blasensaule um 1' gibt Abb. 3 wieder. Zum Vergleich ist der Verlauf bei senkrechter Ausrichtung einge- zeichnet. Die Ergebnisse fur Neigungen in entgegengesetzte Rich- tung sowie fur Saure und Lauge als Spurstoff stimmen sehr gut uber- ein. Im homogenen Stromungsbereich sind die Dispersionskoeffi- zienten um Faktoren von 4 bis 6 groBer als bei senkrecht ausgerichte- ter Saule. Angesichts der praktisch ubereinstimmenden Gasanteile (Abb. 1) mag dieses Ergebnis iiberraschen. Die Beobachtung des Bla- senaufstiegs zeigt als offensichtliche Ursache eine Konzentration von Blasen auf der ,oberen" Seite der Saulenwand, die eine schnelle Auf- stromung der Flussigkeit induziert. Auf der gegenuberliegendenden Seite bildet sich eine entsprechende Abstromung aus, die z. T. auch Blasen nach unten mitreiBt. Der Anstieg der Dispersionskoeffizien- ten bei sehr kleinem Gasdurchsatz tritt auch bei einigen MeBreihen von Konig et al. [l] auf. Als Ursache kommt die beobachtete einseiti-

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150

EL, cm' ls

100

I 0 5 10 15

m u , . c m l s

Abb. 4. --- Wasser, - . - G1. (2)).

Dispersionskoeffizienten in 1 proz. CMC-Losung (a = 0,

ge Blasenbildung am Begaser in Frage, die von vornherein fur eine Ungleichverteilung iiber den Saulenquerschnitt sorgt. Bei ausgebilde- ter heterogener Blasenstromung (uG > 5 cm/s) ist ein signifikanter Effekt der Neigung der Saule nicht erkennbar.

4 EinfluR der Viskositat

Die Dispersionskoeffizienten in der CMC-Losung bei senkrechter Saule (Abb. 4) zeigen im homogenen Stromungsbereich einen grund- satzlich ahnlichen Verlauf wie die in Wasser. Entsprechend dem Gasanteil (Abb. 1) steigen die EL-Werte aber schneller an. Der hoch- ste MeSwert wird bei noch homogener Blasenstromung erhalten. Dies entspricht der von Konig et al. [l] vorgeschlagenen Erklarung iiber die in den Blasenschleppen mitgerissene Fliissigkeit. Wird die auf diese Weise transportierte Fliissigkeitsmenge zu groR, entstehen durch den Unterdruck am Gasverteiler heftige Wirbel, die eine hohe Vermischung bewirken. Anders als bei Wasser steigen nach dem Auf- treten der ersten GroSblasen der Gasanteil und der Dispersionskoef- fizient nicht mehr, sondern nehmen erst im Bereich der Kolbenbla- senstromung wieder zu. Hier liegen die MeBwerte etwas niedriger als nach G1. (2), wahrend in der Literatur fur diesen Stromungsbereich iibereinstimmend gegeniiber Wasser erhohte Dispersionskoeffizien- ten angegeben werden [8]. Diese Situation konnte sich bei Steigerung der Gasgeschwindigkeit iiber den untersuchten Bereich hinaus erge- ben, wenn die in Abb. 2 und 4 erkennbaren Trends sich fortset- Zen.

5 SchluRfolgerungen

Die vorliegenden MeBergebnisse bestatigen die Angaben von Konig et al. [l], daB sich bei der Begasung von Blasensaulen iiber feinporige

Verteiler im Bereich der homogenen Blasenstromung eine sehr gerin- ge Riickvemischung der Fliissigphase erzielen 1aBt. Eine nicht exakt senkrechte Ausrichtung der Saule erhoht aber die Dispersionskoeffi- zienten um ein Mehrfaches. Bei homogener Blasenstromung in visko- sen Medien ergeben sich im Gegensatz zu fruheren Angaben eben- falls niedrige Dispersionskoeffizienten. Im Umschlagsbereich zu he- terogener Stromung steigt die Vermischung jeweils sprunghaft an. In der untersuchten CMC-Losung bilden sich bei hoheren Gasge- schwindigkeiten Kolbenblasen. Die dabei ermittelten Dispersions- koeffizienten sind im Vergleich zu Literaturangaben iiberraschend gering und liegen in der Nahe der fur niederviskose Medien bei Loch- platten-Begasung erwarteten Werte.

Eingegangen am 4. September 1986 [K 8401

Formelzeichen

C

DC EL k 1 L m n t U G a 6 &G

Konzentration Saulendurchmesser Dispersionskoeffizient Konsistenzfaktor Abstand vom Gasverteiler Dispersionshohe Laufzahl in GI. (1) FlieSindex Zeit mittlere Gasleerrohrgeschwindigkeit Winkel zur Senkrechten Enfernung zwischen Dosier- und MeBstelle relativer Gasgehalt

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