CH659402A5 - Vorrichtung zum chemischen entschaeumen in einem fermentor. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Vorrichtung (1) zum chemischen Entschäumen in einem Fermentor, enthaltend einen Behälter (3) mit einem chemischen Entschäumungsmittel (4), das dem Fermentor (2) mittels einer Druckluftpumpe (5) über ein Druckrohr (6) zugeführt wird, das den Behälter (3) mit dem chemischen Entschäumungsmittel (4) mit dem Fermentor (2) verbindet, eine innerhalb des Fermentors (2) auf einem vorgegebenen Stand des Schaumes (8) angeordnete und über das Druckrohr (6) mit dem Behälter (3) mit dem chemischen Entschäumungsmittel (4) verbundene Düse (11) zur Bildung eines Strahls (12) vom Entschäumungsmittel (4) und zur Abführung desselben durch eine koaxial zu der Austrittsöffnung (14) der Düse (11) angeordnete Eintrittsöffnung (13) einer im Fermentor (2) vorgesehenen Kammer (7) in diese Kammer (7), deren gegenüber der Eintrittsöffnung (13) angeordnete Wand (15) konkav ausgebildet ist, um den Strahl (12) vom Entschäumungsmittel (4) rückzustrahlen und diesen in den Behälter (3) mit dem chemischen Entschäumungsmittel (4) über ein Abflussrohr (16) abzuführen, das die Kammer mit dem Behälter (3) mit dem chemischen Entschäumungsmittel (4) verbindet, und ein Drosselventil (22), das den vorgegebenen Druck im Druckrohr (6) aufrechterhält, dadurch gekennzeichnet, dass in dieser Vorrichtung die Druckluftpumpe (5) im Abflussrohr (16) zu einer zwangsläufigen Absaugung des chemischen Entschäumungsmittels (4) aus der Kammer (7) angeordnet ist sowie noch eine Düse (17), die im Abflussrohr (16) in dem Behälter (3) mit dem chemischen Entschäumungsmittel (4) zur Bildung eines Strahls (18) vom chemischen Entschäumungsmittel (4) untergebracht ist, das über das Abflussrohr (16) in den Behälter (3) mit dem chemischen Entschäumungsmittel (4) abgeleitet wird, und noch ein Rohr (21), das die Gaszone (19) des Fermentors (2) mit der Gaszone (20) des Behälters (3) mit dem chemischen Entschäumungsmittel (4) verbindet, vorgesehen sind, wobei ein Drosselventil (22) in diesem Rohr (21) zur Stabilisierung eines vorgegebenen Druckes im Behälter (3) mit dem chemischen Entschäumungsmittel (4) bei dem Ablassen und der Abführung des chemischen Entschäumungsmittels (4) aus dem Behälter mittels der Druckluftpumpe (5) und zur Konstanthaltung auf diese Weise eines vorgegebenen Druckes im Druckrohr (6) angeordnet ist.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum chemischen Entschäumen in einem Fermentor.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann in der mikrobiologischen, medizinischen, chemischen Industrie sowie bei der Durchführung von Forschungsarbeiten ihre Anwendung finden.

Eine nachhaltige Schaumbildung ist eine unerwünschte Erscheinung, die bei der Belüftung von Mitteln stattfindet, welche organisches Material enthalten. Die Stabilität des Schaumes ist mit der Zusammensetzung von komplizierten Mitteln oder mit Austauschprodukten der Mikroorganismen, die oft nicht identifiziert werden können, verbunden, und die Bekämpfung der Schaumbildung wird rein empirisch durchgeführt.

Ein negativer Einfluss der Schaumbildung besteht in folgendem

— eine Kultur kann zusammen mit dem Schaum aus dem Fermentor durch eine Öffnung für den Luftaustritt ausgetragen werden:

— es vermindert sich der KLa-Wert (Wirksamkeit der Sauerstoffaufnahme)

— in den Chemostatkulturen (das sind Kulturen mit einem vollständigen Rühren, in die das kulturale Nährmedium mitkonstanter Geschwindigkeit zugeführt und denen die Kultur mit derselben Geschwindigkeit unter der Bewahrung des Gesamtvolumens entnommen wird) ändert sich der Gasgehalt, und wird das Volumen des kulturalen Nährmediums folglich unkontrollierbar.

Der KLa-Wert bedeutet den Volumkoeffizienten der Masseübertragung oder eine Geschwindigkeit der Sauerstofftransportierung aus dem Gas in die Flüssigkeit.

Ein Regler des Trennungsstandes ist zwischen zwei flüssigen Mitteln in einem Behälter bekannt, der bei der Durchführung der Verfahren der mikrobiologischen Synthese in einem Fermentor unter der Einwirkung von oberflächenaktiven Stoffen (einem Entschäumungsmittel) verwendet wird. (S. z.B. SU-Urheberscheinschrift Nr. 485 423, Klasse G 05 9/12).

Der genannte Regler enthält ein Drosselventil, das im Fermentorraum auf einem vorgegebenen Stand des Schaumes angeordnet und über eine Rohrleitung mit einem Vergleichselement zur Steuerung der Zuführung des Entschäumungsmittels in den Fermentor verbunden ist. In einer anderen Rohrleitung, welche das Vergleichselement mit dem Fermentor verbindet, ist eine Pumpe vorgesehen, mit deren Hilfe ein Durchpumpen des Gasgemisches durch den geschlossenen Kreislauf gewährleistet wird. Der genannte Regler enthält auch einen Behälter mit einem Entschäumungsmittel und eine Rohrleitung mit einem Regelorgan zur Gewährleistung der Zuführung des Entschäumungsmittels aus dem Behälter in den Fermentor bei einer Verstimmung des Vergleichselementes.

Die Vorrichtung hat die folgende Wirkungsweise:

Im Falle, wo der Schaum im Fermentor die Öffnungen des Drosselventils nicht berührt, wird das Gasgemisch von der Pumpe durch das Drosselventil und das Vergleichselement durchgepumpt und wieder in den Fermentor zurückgeführt. Das Vergleichselement ist dabei im Ruhezustand.

Wenn der Schaum die Öffnungen des Drosselventils erreicht, wird er von der Pumpe durchgepumpt; dabei wird der Widerstand im Drosselventil stark zunehmen, es tritt eine Verstimmung des Vergleichselementes ein, das dem Regelorgan ein Steuersignal zum Einführen des Entschäumungsmittels in den Fermentor gibt.

Das dem Fermentor zuzuführende Entschäumungsmittel zerstört den Schaum und befreit auf diese Weise die Öffnung des Drosselventils vom Schaum; dadurch wird der Widerstand im Drosselventil beseitigt, und das Vergleichselement wird in die Anfangsstellung gebracht. Dabei schliesst sich das Regelorgan, indem es die Zuführung des Entschäumungsmittels in den Fermentor einstellt.

Eine solche Vorrichtung zum Entschäumen kann sowohl in Industrie- wie auch in Laborfermentoren verwendet werden.

Durch das Vorhandensein eines Gasumlaufes in dieser Vorrichtung durch ein Vergleichselement, das beim Durchpumpen des Schaumes zu einem Herd des Verfaulens von Mikroorganismen wird, werden azeptische Bedingungen für die Durchführung des mikrobiologischen Prozesses verletzt. Eine diskontinuierliche Zuführung des Entschäumungsmittels in den Fermentor schliesst ausserdem einen Mehrverbrauch vom Entschäumungsmittel nicht aus, weil der Pro-zess der Schaumbildung von einem Forscher im voraus nicht vorgesehen werden kann. Da im Behälter das Entschäumungsmittel nicht gerührt wird, führt das zu einer Entmischung desselben; auf diese Weise ändert sich die Einwirkung des Entschäumungsmittels auf die Schaumschicht.

Es ist auch eine Vorrichtung zum chemischen Entschäumen in einem Fermentor bekannt, die einen Behälter mit ei2

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nem chemischen Entschäumungsmittel, das in den Fermentor mittels einer Druckluftpumpe über ein Druckrohr zugeführt wird, das den Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel mit dem Fermentor verbindet, eine innerhalb des Fermentors auf einem vorgegebenen Schaumstand angeordnete und über das Druckrohr mit dem Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel verbundene Düse zur Bildung eines Strahls vom Entschäumungsmittel und zur Abführung desselben durch eine koaxial zu der Austrittsöffnung der Düse angeordnete Eintrittsöffnung einer im Fermentor vorgesehenen Kammer in diese Kammer, deren gegenüber der Eintrittsöffnung angeordnete Wand konkav ausgebildet ist, um den Strahl vom Entschäumungsmittel rückzuführen und diesen in den Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel über ein Abflussrohr abzuführen, das die Kammer mit dem Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel verbindet, und ein Drosselventil, das den vorgegebenen Druck im Druckrohr aufrechterhält, enthält. (S. z.B. die US-PS Nr. 4 302 545, Klasse 435-289).

In der genannten Vorrichtung ist die Druckluftpumpe im Druckrohr angeordnet, und das Drosselventil und die Düse sind hintereinander in der Bewegungsrichtung des chemischen Entschäumungsmittels hinter der Druckluftpumpe im Druckrohr untergebracht. Eine solche Ausführung der Vorrichtung ermöglicht einen freien, unter der Einwirkung des Eigengewichtes, Abfluss des Entschäumungsmittels über ein Abflussrohr in den Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel.

Bei einem freien Abfluss des chemischen Entschäumungsmittels über ein Abflussrohr in den Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel findet ein Luftsog statt. Dadurch entstehen Luftpolster, die ihrerseits eine Senkung des Verbrauches des chemischen Entschäumungsmittels beim Abfluss desselben aus der Kammer über ein Abflussrohr in den Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel bewirken; als Folge sind ein Überfüllen der Kammer mit dem chemischen Entschäumungsmittel und ein zufalliges Ablassen des letzteren durch die Eintrittsöffnung der Kammer in den Fermentor zu verzeichnen.

Durch einen freien Abfluss des chemischen Entschäumungsmittels in den Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel wird das letztere nicht genug intensiv gerührt, was zu seiner Entmischung sowie auch zu einem Verstopfen des Drosselventils und zu einem nicht steuerbaren Prozess des Entschäumens führt.

Durch einen freien Abfluss des chemischen Entschäumungsmittels in den Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel werden konstruktive und Betriebsmöglichkeiten eingeschränkt, weil es zusätzliche Forderungen entstehen, die an die Wahl eines Durchgangsquerschnittes und einer Höhe des Abflussrohres in Abhängigkeit von der Zähflüssigkeit des zu verwendenden chemischen Entschäumungsmittels gestellt werden.

Durch die Verwendung eines Abflussrohres zur Lösung zweier Aufgaben, d.h. zur Gewährleistung des Abflusses des chemischen Entschäumungsmittels und zum Ausgleich des Druckes im Fermentor und im Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel wird die Betriebszuverlässigkeit der Vorrichtung vermindert. Wenn der Druck im Fermentor z.B. durch eine Verminderung der Luftzuführung für die Belüftung abnimmt, dann fängt der Druck an, sich mit dem Überströmen der Luft über das Abflussrohr aus dem Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel in den Fermentor auszugleichen, wodurch ein zufälliges Ablassen des chemischen Entschäumungsmittels eintritt.

Durch eine technologiegerechte Anordnung des Drosselventils im Druckrohr hinter der Druckluftpumpe wir ein Überdruck im Druckrohr erzeugt, wodurch eine Abdichtung der Vorrichtung erschwert und ein nicht verfahrensgerechter Betriebszustand der Druckluftpumpe geschaffen sowie deren Betriebszuverlässigkeit gesenkt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum chemischen Entschäumen in einem Fermentor zu schaffen, deren konstruktive Ausführung es gestattet, eine Ableitung des chemischen Entschäumungsmittels in den Fermentor ohne die Einwirkung des Schaumes auf den Strahl vom Entschäumungsmittel auszuschliessen, ein Rühren des chemischen Entschäumungsmittels im Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel ohne eine Entmischung desselben zu verwirklichen, das Gelangen des chemischen Entschäumungsmittels über das Abflussrohr in den Fermentor bei einer eventuellen Änderung des Druckes im Fermentor zu verhindern und die Betriebszuverlässigkeit der Vorrichtung zu erhöhen.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in der Vorrichtung zum chemischen Entschäumen in einem Fermentor, die einen Behälter mit einem chemischen Entschäumungsmittel enthält, das dem Fermentor mittels einer Druckluftpumpe über ein Druckrohr zugeführt wird, das den Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel mit dem Fermentor verbindet, eine innerhalb des Fermentors auf einem vorgegebenen Schaumstand angeordnete und über das Druckrohr mit dem Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel verbundene Düse zur Bildung eines Strahls vom Entschäumungsmittel und zur Abführung desselben durch eine koaxial zu der Austrittsöffnung der Düse angeordnete Eintrittsöffnung einer im Fermentor vorgesehenen Kammer in diese Kammer, deren gegenüber der Eintrittsöffnung angeordnete Wand konkav ausgebildet ist, um den Strahl vom Entschäumungsmittel rückzustrahlen und diesen in den Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel über ein Abflussrohr abzuführen, das die Kammer mit dem Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel verbindet, und ein Drosselventil, das den vorgegebenen Druck im Druckrohr aufrechterhält, erfindungsgemäss, die Druckluftpumpe im Abflussrohr zu einer zwangsläufigen Absaugung des chemischen Entschäumungsmittels aus der Kammer angeordnet ist sowie noch eine Düse, die im Abflussrohr in dem Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel zur Bildung eines Strahls vom chemischen Entschäumungsmittel untergebracht ist, das über das Abflussrohr in den Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel abgeleitet wird, und noch ein Rohr, das die Gaszone des Fermentors mit der Gaszone des Behälters mit dem chemischen Entschäumungsmittel verbindet, vorgesehen sind, wobei ein Drosselventil in diesem Rohr zur Stabilisierung eines vorgegebenen Druckes im Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel bei dem Ablassen und der Abführung des chemischen Entschäumungsmittels aus dem Behälter mittels der Druckluftpumpe und zur Konstanthaltung auf diese Weise eines vorgegebenen Druckes im Druckrohr angeordnet ist.

Eine solche konstruktive Ausführung der Vorrichtung zum chemischen Entschäumen in einem Fermentor gestattet es, gemäss der vorliegenden Erfindung, eine Ableitung des chemischen Entschäumungsmittels in den Fermentor ohne die Einwirkung des Schaumes auf den Strahl vom Entschäumungsmittel auszuschliessen, ein Rühren des chemischen Entschäumungsmittels im Behälter mit dem chemischen Entschäumungsmittel ohne eine Entmischung desselben zu verwirklichen, das Gelangen des chemischen Entschäumungsmittels über das Abflussrohr in den Fermentor bei einer eventuellen Änderung des Druckes im Fermentor zu verhindern, die Betriebszuverlässigkeit der Vorrichtung zu erhöhen, teuere Entschäumungsmittel sparsam (ohne Mehrverbrauch) zu verwenden, diese Vorrichtung wirksam in Fer-

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mentoren von verschiedenem Volumen, einschliesslich der Industriefermentoren einzusetzen, und eine Regelung des Verbrauches vom Entschäumungsmittel während der Fermentation ohne ein zufälliges Ablassen des Entschäumungsmittels in den Fermentor durchzuführen.

Die vorliegende Erfindung wird durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und die beigefügte Zeichnung näher erläutert, in der ein Gesamtschema der erfindungsgemäs-sen Vorrichtung zum chemischen Entschäumen in einem Fermentor im Längsschnitt dargestellt ist.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung I zum chemischen Entschäumen in einem Fermentor 2 enthält einen Behälter 3 mit einem chemischen Entschäumungsmittel 4, das dem Fermentor 2 mittels einer Druckluftpumpe 5 über ein Druckrohr 6 zugeführt wird, das den Behälter 3 mit dem chemischen Entschäumungsmittel 4 mit dem Fermentor 2 verbindet.

Die Vorrichtung I enthält innerhalb des Fermentors 2 angeordnete — eine oberhalb des Schaumes 8 untergebrachte Kammer 7, wobei sich der Schaum während des Verfahrens der Fermentation im kulturalen Nährmedium 9 bildet, das vorzugsweise mittels eines Rührwerkes 10 des Fermentors 2 gerührt wird, sowie eine auf einem vorgegebenen Stand des Schaumes 8 und über ein Druckrohr 6 mit dem Behälter 3 mit dem chemischen Entschäumungsmittel 4 verbundene Düse 11, die das chemische Entschäumungsmittel durch die Eintrittsöffnung 13 der Kammer 7 in diese Kammer abführt. Die Austrittsöffnung 14 der Düse 11 ist vorzugsweise koaxial zu der Eintrittsöffnung 13 der Kammer 7 angeordnet. Die Wand 15 der Kammer 7, die gegenüber der Eintrittsöffnung 13 angeordnet ist, ist konkav ausgebildet (im folgenden wird sie als konkave Wand 15 bezeichnet), um den Strahl vom Entschäumungsmittel 4 rück-zustrahlen und diesen in den Behälter 3 mit dem chemischen Entschäumungsmittel 4 über ein Abflussrohr 16 abzuführen, das die Kammer 7 mit dem Behälter 3 verbindet.

Die Druckluftpumpe 5 ist im Abflussrohr 16 zu einer zwangsläufigen Absaugung des chemischen Entschäumungsmittels 4 aus der Kammer 7 angeordnet. Im Abflussrohr 16 in dem Behälter 3 mit dem chemischen Entschäumungsmittel 4 ist eine Düse 17 zur Bildung eines Strahls 18 vom chemischen Entschäumungsmittel 4 untergebracht, das über das Abflussrohr 16 in den Behälter 3 mit dem chemischen Entschäumungsmittel abgeleitet wird.

Die Gaszone 19 des Fermentors 2, die oberhalb des Standes des Schaumes 8 angeordnet ist, ist mit der Gaszone 20 des Behälters 3 mit dem chemischen Entschäumungsmittel 4, der oberhalb des Standes dieses Entschäumungsmittels 4 angeordnet ist, über ein Rohr 21 verbunden, in dem ein Drosselventil 22 zur Stabilisierung eines vorgegebenen Druckes im Behälter 3 mit dem chemischen Entschäumungsmittel 4 bei dem Ablassen und der Abführung des chemischen Entschäumungsmittels 4 aus dem Behälter mittels der Druckluftpumpe 5 und zur Konstanthaltung auf diese Weise eines vorgegebenen Druckes im Druckrohr 6 angeordnet ist.

Die Rohre 6,16 und 21 sind im Behälter 3 mit dem chemischen Entschäumungsmittel 4 gewöhnlich mittels eines Gummirohres 23 befestigt und in den Fermentor 2 durch dessen Deckel 24 eingeführt.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung I zum chemischen

Entschäumen in einem Fermentor 2 hat insbesonders folgende Wirkungsweise:

In der Ausgangsstellung ist der Behälter 3 mit einem chemischen Entschäumungsmittel 4 gefüllt und hermetisch mit 5 einem Gummuistopfen 23 geschlossen, und die Düse 11 der Vorrichtung I ist in der Gaszone 19 des Fermentors 2 auf einem vorgegebenen Stand des Schaumes 8 untergebracht. Nach dem Einschalten der Druckluftpumpe 5 wird mittels des Drosselventils 22 ein Druck im Behälter 3 mit dem che-io mischen Entschäumungsmittel 4 eingestellt, das unter der Einwirkung dieses Druckes über das Druckrohr 6 in die Düse 11 zugeführt wird, wobei es, indem es durch die Austrittsöffnung 14 der Düse strömt, einen Strahl 12 bildet, der frei, ohne die Wände der Öffnung 13 der Kammer 7 zu be-i5 rühren, in die genannte Kammer gelangt; Der Strahl 12 prallt auf eine konkave Wand 15 der Kammer 7 auf und wird zwangsläufig mittels der Druckluftpumpe 5 über ein Abflussrohr 16 zurück in den Behälter 3 abgesaugt. Indem das Entschäumungsmittel durch die Düse 17 durchfliesst, 2o bildet es einen Strahl 18, der auf das chemische Entschäumungsmittel 4 einwirkt, das sich im Behälter 3 befindet, und rührt es intensiv, ohne eine Entmischung desselben zuzulas-sen.

Der Überdruck im Behälter 3 mit dem chemischen Ent-25 schäumungsmittel 4, der beim Betrieb der Druckluftpumpe 5, hergestellt wird, wird mittels des Drosselventils 22 durch das Überströmen des Gases über die Rohrleitung 21 wiederhergestellt, die die Gaszone 19 des Fermentors 2 mit der Gaszone 20 des Behälters 3 mit dem chemischen Entschäu-30 mungsmittel 4 verbindet.

Beim Rühren des kulturalen Nährmediums 9 mittels des Rührwerkes 10 findet ein Aufschäumen des Nährmediums statt. Der Schaum steigt höher als die Öffnungen 14 der Düse 11 an und kommt mit dem Strahl 12 des chemischen 35 Entschäumungsmittels 4 in Berührung. In diesem Augenblick wird der Strahl 12 des chemischen Entschäumungsmittels 4 unter der Einwirkung des Kohäsionskräfte abgelenkt, er gelangt in die Öffnung 13 nicht, sondern wird in den Schaum 8 abgeworfen; dabei wird der Schaum zerstört, der 40 Stand des Schaumes 8 vermindert sich, der Strahl 12 tritt aus der Zusammenwirkung mit dem Schaum 8 heraus und fängt es an, erneut durch die Öffnung 13 in die Kammer 7 einzuströmen, indem er den Rückumlauf des Entschäumungsmittels 4 im geschlossenen Kreislauf wiederherstellt. 45 Die erfindungsgemässe Vorrichtung stellt einen selbststeuerbaren Prozess der Überwachung und des Entschäu-mens auf dem vorgegeben Stand durch die Einwirkung des chemischen Entschäumungsmittels unter gleichzeitiger Regelung des Volumens des chemischen Entschäumungsmittels, so das für das Entschäumen verbraucht wird, in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Schaumbildung und der Beständigkeit gegen die Einwirkung des zu verwendenden chemischen Entschäumungsmittels dar.

Die zwangsläufige Absaugung des Entschäumungsmit-55 tels und die Anordnimg des Drosselventils im eigenen Rohr gestatteten es ausserdem, das Arbeitsorgan der genannten Vorrichtung (eine Kammer, eine Düse, ein Druck- und ein Abflussrohr) in Form eines zylindrischen Stabes auszuführen, der sich in den Fermentor durch seinen Deckel einfach 6o einführen lässt und auf einem beliebigen vorgegebenen Stand angeordnet werden kann.

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1 Blatt Zeichnungen