CH677116A5

CH677116A5 -

Info

Publication number: CH677116A5
Application number: CH13989A
Authority: CH
Inventors: Maris Arnoldovich Rikmanis; Uldis Ernestovich Viestur; Juris Yanovich Vanags; Ausma Karlovna Saxe; Maina Mikhailovna Skvortsova; Anatoly Makarovich Kuznetsov
Original assignee: Inst Mikrobiologii Imeni A Kir
Priority date: 1989-01-25
Filing date: 1989-01-17
Publication date: 1991-04-15
Also published as: DE3902162A1

Description

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CH677116A5 CH677116A5

Beschreibung description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Biotechnologie von Organismen und betrifft einen Apparat zur Kultivierung von Mikroorganismen. The invention relates to the field of biotechnology of organisms and relates to an apparatus for cultivating microorganisms.

Die Erfindung kann in der mikrobiologischen Industrie für die Herstellung von Eiweiss-Vitamin-Kon-zentraten, bakteriologischen Präparaten, Aminosäuren und medizinischen Präparaten eingesetzt werden. The invention can be used in the microbiological industry for the production of protein-vitamin concentrates, bacteriological preparations, amino acids and medical preparations.

Zur Kultivierung von Mikroorganismen werden Fermentationsanlagen mit Mischvorrichtungen umfassend eingesetzt. Fermentation plants with mixing devices are used extensively to cultivate microorganisms.

Bekannt ist eine Fermentationsanlage der Firma «Rudisleben», DDR (U.E. Viestur und andere, «Fermentationssysteme», Riga, Zinatne, 1986, S. 110-112), die ein zylindrisches Gehäuse mit einer darin angeordneten Mischvorrichtung einschliesst. Die Mischvorrichtung enthält einen dreietagigen Turbomischer; rings um jeden Mischer enstehen im Prozess der Arbeit lokale intensive Zonen. Dadurch ruft eine erhöhte Intensität des Vermischens bei der Kultivierung von Mikroorganismen, die gegenüber den mechanischen Einwirkungen des Mediums empfindlich sind, eine irreversible mechanische Beschädigung von Zellen hervor, was die Effektivität der Kultivierung der Mikroorganismen herabsetzt. Known is a fermentation plant from the company "Rudisleben", GDR (U.E. Viestur and others, "Fermentationssysteme", Riga, Zinatne, 1986, pp. 110-112), which includes a cylindrical housing with a mixing device arranged therein. The mixing device contains a three-day turbo mixer; Local intensive zones are created around each mixer in the process of work. As a result, an increased intensity of mixing during the cultivation of microorganisms which are sensitive to the mechanical effects of the medium causes irreversible mechanical damage to cells, which reduces the effectiveness of the cultivation of the microorganisms.

Bekannt ist ein Apparat zur Kultivierung von Mikroorganismen (US-A 4 256 839), der ein vertikales zylindrisches Gehäuse, eine Mischvorrichtung, die in Form eines Paares von Schaufelmischern ausgeführt ist, die koaxial zum Gehäuse aufgestellt sind, vorsieht, der Apparat schliesst ausserdem einen Belüfter, Führungswände für die Strömrichtung des zu vermischenden Mediums und Beseitigung der Trom-benbildung und Ansatzstutzen für die Einführung des Nährmediums und Impfstoffes und für die Ableitung des Fertigproduktes. A device for cultivating microorganisms (US Pat. No. 4,256,839) is known which provides a vertical cylindrical housing, a mixing device which is designed in the form of a pair of paddle mixers which are set up coaxially with the housing, the device also closes one Aerators, guide walls for the flow direction of the medium to be mixed and elimination of the formation of troughs and connecting pieces for the introduction of the nutrient medium and vaccine and for the discharge of the finished product.

Die Funktionsweise des bekannten Apparates berührt darauf, dass der untere Mischer einen Zirku-lationsstrom bildet, und der obere Mischer fördert die Hemmung der zusammenwirkenden Phasen im Hauptteil des Apparates. The functioning of the known apparatus is based on the fact that the lower mixer forms a circulation flow, and the upper mixer promotes the inhibition of the interacting phases in the main part of the apparatus.

Der Nachteil des Apparates besteht darin, dass bei der Erreichung einer intensiven Zirkulation des zu vermischenden Mediums mechanische Beschädigung von Mikroorganismen entsteht, weil der untere Mischer im bekannten Apparat als Turbomischer ausgeführt ist und rings um diesen eine lokale intensive Zone ensteht. Infolge des Obendargelegten verringert sich die Leistung der Kultivierung von Mikroorganismen. The disadvantage of the apparatus is that mechanical damage to microorganisms occurs when an intensive circulation of the medium to be mixed is achieved because the lower mixer in the known apparatus is designed as a turbomixer and a local intensive zone is formed around it. As a result of the above, the performance of cultivating microorganisms decreases.

Der Erfindung liegt Aufgabe zugrunde, einen Apparat für die Kultivierung von Mikroorganismen zu entwickeln, bei dem die Konstruktion dessen Schaufelmischer eine intensive Vermischungsführung gewährleistet, die mechanische Beschädigung von Mikroorganismen verhindert. The invention has for its object to develop an apparatus for the cultivation of microorganisms, in which the construction of its paddle mixer ensures intensive mixing control, which prevents mechanical damage to microorganisms.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im Apparat zur Kultivierung von Mikroorganismen, der ein vertikales zylindrisches Gehäuse, einen Eintrittsstutzen für die Einführung von Nährmedium und Impfstoff, der im oberen Teil des Gehäuses angebracht ist, einen Austrittsstutzen für die Abteilung des Fertigproduktes und einen Belüfter vorsieht, die im unteren Teil des Gehäuses angeordent sind, eine Mischvorrichtung, die im Gehäuse koaxial mit der Möglichkeit der Drehung aufgestellt ist, und mindestens ein Paar von Schaufelmischern aufweist, erfindungsgemäss, die Schaufeln jedes Mischers im der Mischvorrichtung mit einem Neigungswinkel von 5° bis 30° zur horizontalen Fläche ausgeführt sind, wobei die Neigungsrichtung der Schaufeln des oberen Mischers im Paar der Neigungsrichtung der Schaufeln des unteren Mischers zwecks Gewährleistung der Gegenrichtung der Ströme des zu kultivierenden Mediums entgegengesetzt ist. The object is achieved in that in the apparatus for cultivating microorganisms, which has a vertical cylindrical housing, an inlet connection for the introduction of nutrient medium and vaccine, which is attached in the upper part of the housing, an outlet connection for the department of the finished product and an aerator provides, which are arranged in the lower part of the housing, a mixing device which is placed in the housing coaxially with the possibility of rotation and has at least one pair of paddle mixers, according to the invention, the blades of each mixer in the mixing device with an inclination angle of 5 ° to 30 ° to the horizontal surface, wherein the direction of inclination of the blades of the upper mixer in the pair is opposite to the direction of inclination of the blades of the lower mixer in order to ensure the opposite direction of the flows of the medium to be cultured.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Beispielen ihrer konkreten Ausführung mit Bezugnahme auf beigefügte Zeichnung erläutert, in denen es zeigen: The invention is explained below using examples of its specific embodiment with reference to the attached drawing, in which:

Fig. 1 Apparat zur Kultivierung von Mikroorganismen, Gesamtansicht im Schnitt, erfindungsgemäs; 1 apparatus for cultivating microorganisms, overall view in section, according to the invention;

Fig. 2 Zusammenwirken der Gegenströme des zu vermischenden Mediums von einem Mischerpaar mit der entgegengesetzten Neigungsrichtung der Schaufeln, erfindungsgemäss. Fig. 2 interaction of the counter flows of the medium to be mixed from a pair of mixers with the opposite direction of inclination of the blades, according to the invention.

Apparat zur Kultivierung von Mikroorganismen enthält ein vertikales zylindrisches Gehäuse 1 (Fig. 1), in dessen unteren Teil ein Belüfter 2 angebracht ist, ein Stutzen 3 für die Einführung des Nährmediums und des Impfstoffes ist im oberen Teil des Gehäuses 1 angebracht, ein Austrittsstutzen 4 für die Abteilung des Fertigproduktes ist im unteren Teil des Gehäuses 1 aufgestellt. Im Gehäuse 1 ist koaxial zu demselben eine Mischvorrichtung 5 angebracht, die eine Welle 6 aufweist, die mit einem Antrieb 7 bekannter Konstruktion gekoppelt ist. An der Welle 6 sind Paare A der Schaufelmischer befestigt, dabei weist jedes Paar A einen oberen Mischer8 und einen unteren Mischer 9 auf. Apparatus for cultivating microorganisms contains a vertical cylindrical housing 1 (FIG. 1), in the lower part of which an aerator 2 is attached, a connector 3 for the introduction of the nutrient medium and the vaccine is attached in the upper part of the housing 1, and an outlet connector 4 for the department of the finished product is set up in the lower part of the housing 1. In the housing 1, a mixing device 5 is mounted coaxially to the same, which has a shaft 6, which is coupled to a drive 7 of known construction. Pairs A of the paddle mixers are fastened to the shaft 6, each pair A having an upper mixer 8 and a lower mixer 9.

Die Anzahl der Paare der Schaufelmischer wählt man aus dem Verhältnis der Höhe des Apparates zu seinem Durchmesser, das von den erforderlichen Bedingungen der Kultivierung abhängig ist. The number of pairs of paddle mixers is chosen from the ratio of the height of the apparatus to its diameter, which depends on the conditions required for cultivation.

Nachstehend wird eine Ausführungsvariante des Apparates für die Kultivierung von Mikroorganismen betrachtet, in dem die Mischvorrichtung drei Paare A der Schaufelmischer aufweist. An embodiment variant of the apparatus for cultivating microorganisms is considered below, in which the mixing device has three pairs A of the paddle mixers.

Die Schaufel 10 der Mischer 8 und 9 in jedem Paaar A sind gekrümmt in Schraubenlinie mit einem Neigungswinkel zur Horizontalfäche, der auf Zeichnung mit a markiert ist, von 5° bis 30° ausgeführt, wobei die Neigungsrichtung der Schaufel 10 des oberen Mischers 8 entgegengesetzt zur Neigungsrichtung der Schaufel 10 des unteren Mischers 9 für die Gewährleistung der Gegenrichtung der Ströme des ver2 The blades 10 of the mixers 8 and 9 in each pair A are curved in a helical line with an angle of inclination to the horizontal surface, which is marked with a in the drawing, of 5 ° to 30 °, the direction of inclination of the blade 10 of the upper mixer 8 being opposite to Direction of inclination of the blade 10 of the lower mixer 9 to ensure the opposite direction of the flows of the ver2

5 5

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mischbaren Mediums ist. Im oberen Teil des Gehäuses 1 ist an der Welle 6 über dem letzten Paar der Mischer 8 und 9 ein Schaumdämpfer 11 mit einer Feder 12 befestigt, die mit dem oberen Mischer 8 gekoppelt ist. Das Gehäuse 1 ist ausserdem mit einem Wärmeaustauschmantel 13 für die Unterhaltung der erforderlichen Temperatur des zu kultivierenden Mediums versehen, und an seiner inneren Wandung sind führende Längsplatten 14 befestigt, die axiale Richtung der Zirkulationsströme des Mediums in der an die Wandung angrenzenden Zone bewirken, die Berührungsfläche der Wärmeaustauschflächen mit den Strömen des Mediums vergrössern sowie die Drehbewegung der gesamten Masse des Mediums im Gehäuse 1 verhindern. Die Luft für die Belüftung wird durch einen Ansatzstutzen 15 abgeleitet. miscible medium. In the upper part of the housing 1, a foam damper 11 is fastened to the shaft 6 above the last pair of mixers 8 and 9 with a spring 12 which is coupled to the upper mixer 8. The housing 1 is also provided with a heat exchange jacket 13 for maintaining the required temperature of the medium to be cultivated, and on its inner wall leading longitudinal plates 14 are attached, which cause the axial direction of the circulation flows of the medium in the zone adjacent to the wall, the contact surface increase the heat exchange surfaces with the flows of the medium and prevent the rotation of the entire mass of the medium in the housing 1. The air for ventilation is discharged through an extension piece 15.

Apparat zur Kultivierung von Mikroorganismen hat folgende Funktionsweise. Apparatus for cultivating microorganisms works as follows.

Durch den Eintrittsstutzen 3 wird das Gehäuse 1 mit einem Nährmedium und einem Impfstoff gefüllt, und durch den Belüfter 2 wird komprimierte Luft zugeführt. Der Stand der Füllung des Apparates hängt von dem erforderlichen Belüftungsgrad ab und soll bei der abgeschalteten Mischvorrichtung 5 von 70 bis 75%, bezogen auf den Rauminhalt des Gehäuses 1, betragen und soll unter dem Stand des Schaumdämpfers 11 liegen. Die Mischvorrichtung 5 wird durch die Einschaltung des Antriebs 7 zur Drehung gebracht. Je nach der Steigerung der Drehgeschwindigkeit der Mischer 8 und 9 schaffen die Schaufeln 10 axiale Gegenströmungen des zusammenwirkenden Mediums. Zwischen dem oberen und dem unteren Mischer 8 und 9 in Paaren entsteht eine quasi stationäre Vermischungszone (Fig. 2). In dieser Zone streben die absoluten Grössen der durchschnittlichen Geschwindigkeit nach dem Minimum und ihre Fluktuationen nach dem Maximum zu. Hier durch wird eine gleichmässige Energieverteilung der Vermischung gewährleistet, was ein Hindernis zur Entstehung lokal intensiver Zone darstellt, die mechanische Beschädigung der Mikroorganismen-Zellen verursachen. Through the inlet nozzle 3, the housing 1 is filled with a nutrient medium and a vaccine, and compressed air is supplied through the aerator 2. The level of filling of the apparatus depends on the required degree of ventilation and should be from 70 to 75%, based on the volume of the housing 1, when the mixing device 5 is switched off and should be below the level of the foam damper 11. The mixing device 5 is made to rotate by switching on the drive 7. Depending on the increase in the rotational speed of the mixers 8 and 9, the blades 10 create axial countercurrents of the interacting medium. A quasi-stationary mixing zone is formed between the upper and lower mixers 8 and 9 in pairs (FIG. 2). In this zone the absolute values of the average speed tend towards the minimum and their fluctuations towards the maximum. This ensures an even energy distribution of the mixture, which is an obstacle to the development of locally intensive zones that cause mechanical damage to the microorganism cells.

Es wird ausserdem eine intensive Vermischung des Mediums erreicht, die zur Erhöhung des Gehalts an Gas und des Dispersionsgrades des Mediums insgesamt führt. In addition, intensive mixing of the medium is achieved, which leads to an increase in the gas content and the degree of dispersion of the medium as a whole.

Die Erhöhung des Gehaltes an Gas ruft die Schaumbildung und die Vergrösserung des Gesamtvolumens des Mediums und die Vergrösserung des Gesamtvolumens des Mediums im Gehäuse 1 hervor, wodurch der obere Flüssigkeitspegel (Schaumschicht) steigt und den Schaumdämpfer 11 erreicht. The increase in the content of gas causes the foaming and the increase in the total volume of the medium and the increase in the total volume of the medium in the housing 1, as a result of which the upper liquid level (foam layer) rises and reaches the foam damper 11.

Der Schaumdämpfer 11 sammelt den Schaum und leitet diesen zum Zentrum des Apparates der Zone der Saugwirkung der Schaufeln 10 des letzten Paars der Mischer 8 und 9 zu. Durch die Verbindung mit dem oberen Mischer 8 im letzten Paar unterhält der Schaumdämpfer 11 den Stand des Mediums im Apparat. Hierdurch wird eine kontinuierliche Vermischung des Schaums mit der Kulturflüssigkeit gewährleistet, was auch zur Erhöhung des Gasgehaltes und des Dispersionsgrades des Mediums beiträgt. Dann wird das Fertigprodukt der Kultivierung durch den Austrittsstutzen 4 abgeleitet, und der Apparat wird für den neuen Vorgang der Kultivierung vorbereitet. The foam damper 11 collects the foam and directs it to the center of the apparatus of the suction zone of the blades 10 of the last pair of mixers 8 and 9. By connecting to the upper mixer 8 in the last pair, the foam damper 11 maintains the level of the medium in the apparatus. This ensures continuous mixing of the foam with the culture liquid, which also contributes to increasing the gas content and the degree of dispersion of the medium. Then the finished product of the cultivation is discharged through the outlet port 4, and the apparatus is prepared for the new process of cultivation.

Dadurch, dass die Schaufeln 10 jedes Paars der Mischer 8 und 9 einen geringen Neigungswinkel a von 5° bis 30° zur horizontalen Fläche aufweisen, der gleich dem Anstellwinkel ist, erweisen sie keine starke Stosseinwirkung auf die Mikroorganismen. Dies ermöglicht, bei einer intensiven Vermischungsund Belüftungsführung die Kultivierung von Fadenpilzen (beispielsweise Polyporus squemasus, Tricho-derma viride) mit einer verzweigten Struktur des Myzeliums ohne beträchtliche Beschädigung der Unversehrtheit von Zellen durchzuführen. Because the blades 10 of each pair of mixers 8 and 9 have a small angle of inclination a of 5 ° to 30 ° to the horizontal surface, which is equal to the angle of attack, they do not show any strong impact on the microorganisms. With intensive mixing and aeration control, this enables the cultivation of filamentous fungi (for example Polyporus squemasus, Tricho-derma viride) with a branched structure of the mycelium to be carried out without considerable damage to the integrity of the cells.

Der Einsatz der Mischvorrichtung 5 mit oben beschriebener Konstruktion zur Kultivierung von Mikroorganismen ermöglicht es, maximale Axialströme bei minimalen Radialströmen durch die Wahl des Neigungswinkels der Schaufeln 10 und durch das Variieren der Drehgeschwindigkeit der Mischer 8 und 9 zu schaffen. Dabei ist es zweckmässig, den Neigungswinkel der Schaufeln 10 in einem Bereich von 5° bis 30° zur horizontalen Fläche einzustellen. Bei einem Neigungswinkel unter 5° ist es für die Erzielung einer ausreichenden Grösse der Axialkomponente eines Mediumstromes notwendig, die Drehgeschwindigkeit der Mischvorrichtung 5 stark zu vergrössern, dies ist jedoch infolge der Entstehung einer Um-wucht der Mischer 8 und 9 und der dabei auftretenden Wellenschwindung sowie aus anderen Gründen, die hauptsächlich mit der konstruktiven Ausführung des Apparates zusammenhängen, nicht möglich. The use of the mixing device 5 with the construction described above for the cultivation of microorganisms makes it possible to create maximum axial currents with minimal radial currents by selecting the angle of inclination of the blades 10 and by varying the rotational speed of the mixers 8 and 9. It is expedient to set the angle of inclination of the blades 10 in a range from 5 ° to 30 ° to the horizontal surface. With an inclination angle of less than 5 °, it is necessary to achieve a sufficient size of the axial component of a medium flow, to increase the speed of rotation of the mixing device 5 considerably, but this is due to the occurrence of an imbalance of the mixers 8 and 9 and the resulting wave shrinkage and not possible for other reasons, mainly related to the construction of the apparatus.

Bei einem Neigungswinkel über 30° wird die Radialkomponente des Mediumstromes, die durch die Schaufeln 10 der Mischer 8 und 9 geschaffen wird, grösser als die Axialkomponente des Mediumstromes. In diesem Fall hält man die Bedingung für die Entstehung einer quasi stationären Zone im Raum zwischen den Mischern 8 und 9 eines Paars nicht ein, die infolge des Zusammenwirkens der axialen Gegenströme ensteht. Wenn die Neigungswinkel in einem Bereich von 5° bis 30° liegen, wird ein intensiver Vermischungszustand ohne mechanischer Beschädigung von Zellen gewährleistet. At an angle of inclination of more than 30 °, the radial component of the medium flow, which is created by the blades 10 of the mixers 8 and 9, becomes larger than the axial component of the medium flow. In this case, the condition for the creation of a quasi-stationary zone in the space between mixers 8 and 9 of a pair, which arises as a result of the interaction of the axial counter currents, is not observed. If the angles of inclination are in a range from 5 ° to 30 °, an intensive mixing state is ensured without mechanical damage to cells.

Es wurden folgende Vergleichsdaten der Kultivierung des Pilzes Polyporus squemosus in dem erfin-dungsgemässen Apparat und in dem bekannten Apparat mit standardisierten Turbomischern erhalten: The following comparative data for the cultivation of the fungus Polyporus squemosus were obtained in the apparatus according to the invention and in the known apparatus with standardized turbomixers:

3 3rd

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Tabelle table

Apparat apparatus

Ausbeute yield

Dauer der Duration of

Leistung power

Prozentsatz percentage

Durchschnittli Average

Durchschnitts- Average

an Bio of organic

Fermenta g/I/h der Beschä Fermenta g / I / h of the dam

che spezifische verbtauch der specific consumption of the

masse, Dimensions,

tion, tion,

digung der damage to the

Bedarfsleistung Demand power

Luft für die Belüf Air for ventilation

g/i h g / i h

Kultur, % Culture, %

kW/m3 kW / m3

tung Volumen/ volume /

Voiumen/f/min Volume / f / min

1 1

2 2nd

3 3rd

4 4th

5 5

6 6

7 7

Erfindungs- Invention

18,4 18.4

17 17th

1,08 1.08

- -

1,7 1.7

0,1 0.1

gemässer according to

Bekannter Acquaintance

15,6 15.6

20 20th

0,78 0.78

20 20th

3,0 3.0

0,8 0.8

Somit ermöglicht es der erfindungsgemässe Apparat zur Kultivierung von Mikroorganismen im Vergleich zum bekannten Apparat, erhöhte Stoffaustauschdaten infolge einer intensiven Vermischung und der Turbulenzenstehung des Mediums ohne mechanische Beschädigung der Mikroorganismenzellen bei einer verringerten durchschnittlichen spezifischen Bedarfsleistung der Mischvorrichtung und bei Verringerung des Verbrauchs an Luft für die Belüftung zu bewirken. Thus, the apparatus according to the invention for cultivating microorganisms in comparison with the known apparatus enables increased mass exchange data due to intensive mixing and the turbulence of the medium without mechanical damage to the microorganism cells, with a reduced average specific power requirement of the mixing device and with a reduction in the consumption of air for ventilation to effect.

Claims

Patentanspruch Claim

Apparat zur Kultivierung von Mikroorganismen, der ein vertikales zylindrisches Gehäuse (1), einen Eintrittsstutzen (3) für die Einführung von Nährmedium und Impfstoff, der am oberen Teil des GehäusesApparatus for cultivating microorganisms, which has a vertical cylindrical housing (1), an inlet connector (3) for the introduction of nutrient medium and vaccine, which is on the upper part of the housing

(1) angebracht ist, einen Austrittsstutzen (4) für die Ableitung des Fertigproduktes und einen Belüfter(1) is attached, an outlet nozzle (4) for the discharge of the finished product and an aerator

(2), die im unteren Teil des Gehäuses (1) angebracht sind und eine Mischvorrichtung (5), die koaxial im Gehäuse (1) mit der Möglichkeit der Drehung aufgestellt ist, die mindestens ein Paar von Schaufelmischern (8 und 9) vorsieht enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (10) jedes Mischers (8 und 9) in der Mischvorrichtung (5) mit einem Neigungswinkel von 5° bis 30° zur horizontalen Fläche ausgeführt sind, wobei die Neigungsrichtung der Schaufeln (10) des oberen Mischers (8) im Paar zur Neigungsrichtung der Schaufeln (10) des unteren Mischers (9) für die Gewährleistung der Gegenrichtung der Ströme des zu kultivierenden Mediums entgegengesetzt ist.(2) which are mounted in the lower part of the housing (1) and a mixing device (5) which is placed coaxially in the housing (1) with the possibility of rotation, which includes at least a pair of paddle mixers (8 and 9) characterized in that the blades (10) of each mixer (8 and 9) in the mixing device (5) are designed with an angle of inclination of 5 ° to 30 ° to the horizontal surface, the direction of inclination of the blades (10) of the upper mixer ( 8) in the pair opposite to the direction of inclination of the blades (10) of the lower mixer (9) to ensure the opposite direction of the flows of the medium to be cultivated.

44th