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Die
Erfindung betrifft eine Dosiervorrichtung, welche mindestens eine
Dosierstrecke zur Substratzufuhr, einen Vorlagebehälter
als Substratspeicher und eine Ansteuerungseinheit umfasst.
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Vorrichtungen
zur Substratzufuhr in Bioreaktoren sind seit längerer Zeit
bekannt. In der Regel werden Pumpen verwendet, die flüssige
Substrate oder Substrate mit geringen Feststoffanteilen in die Bioreaktoren
fördern. Bei hohen und sehr hohen Feststoffanteilen im
zu fördernden Medium werden meist Feststoffpumpen zur Förderung
verwendet, wie sie beispielsweise in
WO/19961012789 und
WO1 1 998/01 8536 beschrieben
sind. Alternativ dazu ist in Abhängigkeit von den Eigenschaften
des zu fördernden Materials, der Einsatz von Förderschnecken,
teilweise in spezieller Ausführung, gängige Praxis
(z. B.
WO12008/110310 ,
WO/2008/006335 ).
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Eine
Sonderstellung nehmen Bioreaktoren mit kleinem Reaktionsvolumen
ein, da sie nur eine geringe Substratzufuhr pro Zeiteinheit benötigen. Derartige
Bioreaktoren sind vor allem im Labor- und Technikumsbetrieb im Einsatz,
um zum Beispiel Biogasprozesse zu optimieren und/oder neue Verfahrensmöglichkeiten
zu testen, bevor diese in den großtechnischen Maßstab übertragen
werden. Die oben angeführten Möglichkeiten der
Substratzufuhr sind in der Regel für großtechnische
Anlagen ausgelegt und deshalb nur bedingt für Reaktoren
mit kleinen Reaktionsvolumen anwendbar. Die Substratzufuhr erfolgt
bei kleinvolumigen Bioreaktoren häufig über improvisierte
Techniken, die im Verhältnis zum Bioreaktor vergleichsweise
viel Platz benötigen oder nur eine volumenbegrenzte Substratzufuhr
erlauben. Beispielsweise sind diese Techniken der automatischen
Fütterung von Aquarien entlehnt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen oder mehrere der geschilderten
Nachteile des Standes der Technik zu mindern oder zu überwinden.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch Bereitstellung einer Dosiervorrichtung
für Bioreaktoren, umfassend
- a) eine
Dosierstrecke (11), wobei ein erstes Ende der Dosierstrecke
(11) mit einem Vorlagebehälter (1) verbindbar
ist und ein zweites Ende der Dosierstrecke (11) derart
mit einem Bioreaktor (10) verbindbar ausgestaltet ist,
dass Substrat (9) über die Dosierstrecke (11)
einem Bioreaktor (10) zuführbar ist;
- c) einen Dosierraum (4), der einen Bereich der Dosierstrecke
(11) umfasst, welcher von einer Aufnahmesperrvorrichtung
(3) und einer Abgabesperrvorrichtung (5) begrenzt
wird;
- d) eine Aufnahmesperrvorrichtung (3), über
die eine Substrataufnahme in den Dosierraum (4) regel-
und/oder steuerbar unterbrechbar ist;
- e) eine Abgabesperrvorrichtung (5), über die
eine Substratabgabe aus dem Dosierraum (4), gegebenenfalls
in einen Bioreaktor (10), regel- und/oder steuerbar unterbrechbar
ist; und
- f) eine Steuereinheit (2), über welche die
Aufnahmesperrvorrichtung (3) und die Abgabesperrvorrichtung
(5) unabhängig voneinander regel- und/oder steuerbar
verschließ- und/oder offenbar sind.
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Grundsätzlich
ist die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung geeignet
um jede Form von Substrat einem Bioreaktor dosiert zuzuführen,
bevorzugt werden Substrate mit hohem Feststoffgehalt bzw. Feststoffsubstrate
verwendet.
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Die
erfindungsgemäße Dosiervorrichtung kann zusätzlich
einen Vorlagebehälter aufweisen, der als Substratspeicher
ausgebildet ist und mit einem Ende der Dosierstrecke verbunden ist.
In dem Vorlagebehälter kann Substrat gespeichert und für die
dosierte Verbringung in einen Bioreaktor bereitgestellt werden.
Dabei kann der Vorlagebehälter ausgestaltet sein, um flüssige
Substrate oder Substrate mit unterschiedlichen Feststoffanteilen
bis hin zu Feststoffsubstraten in unterschiedlichsten Partikel- oder
Korngrößen aufzunehmen.
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Der
Vorlagebehälter ist derart mit einer Dosierstrecke der
erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung verbunden,
dass Substrat aus dem Vorlagebehälter in die Dosierstrecke überführbar
ist. Dazu kann der Vorlagebehälter eine Öffnung
aufweisen, die derart ausgestaltet und dimensioniert ist, dass sie
direkt mit einer Dosierstrecke verbindbar ist. Um eine möglichst
verlustarme Überleitung von Substrat zwischen Vorlagebehälter
und Dosierstrecke zu gewährleisten, sind Vorlagebehälter
und Dosierstrecke dicht miteinander verbunden, so dass seitlich
kein Substrat austreten kann. Um eine möglichst vollständige Überführung
von Substrat aus dem Vorlagebehälter in die Dosierstrecke
zu erlauben, kann der Vorlagebehälter um die Öffnung
zur Dosierstrecke hin trichterförmig ausgebildet sein.
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Die
erfindungsgemäße Dosiervorrichtung weist eine
Dosierstrecke auf, wobei ein erstes Ende der Dosierstrecke mit dem
Vorlagebehälter verbindbar und/oder verbunden ist und ein
zweites Ende der Dosierstrecke derart mit einem Bioreaktor verbindbar ausgestaltet
ist, dass Substrat, ggf. aus einem Vorlagebehälter, über
die Dosierstrecke dem Bioreaktor zuführbar ist. Die Dosierstrecke
kann langgestreckt und/oder rohrartig ausgebildet sein und weist
ein Lumen auf, durch welches Substrat vom Vorlagebehälter
zum Bioreaktor transportiert werden kann, ohne dass es zu nennenswerten
Substratverlusten kommt. Die Dosierstrecke ist bevorzugt derart
dimensioniert, dass sie ein Volumen einschließt, welches
mindestens einer Substratmenge entspricht, die für einen vorher
festgelegten Ladevorgang des Bioreaktors pro Zeiteinheit benötigt
wird. Die Dosierstrecke kann auch derart dimensioniert sein, dass
mehrere vorher festgelegte Ladevorgänge des Bioreaktors
pro Zeiteinheit möglich sind. Die Dosierstrecke kann aus
einem flexiblen Material oder aus einem unflexiblen Material hergestellt
sein oder dieses aufweisen. Bevorzugt wird ein Material verwendet,
welches beständig ist gegenüber dem verwendeten
Substrat und welches eine Vielzahl von Befüllvorgängen
erlaubt, ohne dass die Dosierstrecke funktional wesentlich beeinträchtigt
wird.
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Die
Dosierstrecke kann einen Dosierschlauch aufweisen, der bevorzugt
im Lumen der Dosierstrecke angebracht ist, der sich von einem ersten Ende
der Dosierstrecke zu einem zweiten Ende der Dosierstrecke erstreckt
und der derart ausgebildet ist, dass Substrat, ggf. aus einem Vorlagebehälter, durch
den Dosierschlauch zu einer abgewandten Seite der Dosierstrecke
geführt werden kann. Der Dosierschlauch weist dazu ein
Lumen zum Substrattransport auf und ist aus einem Material gefertigt, welches
gegenüber dem Substrat möglichst beständig
und stabil genug ist, um eine Vielzahl von Befüllungsvorgängen
zu erlauben, ohne dass der Dosierschlauch in seiner Funktion wesentlich
beeinträchtigt wird. Der Dosierschlauch ist bevorzugt aus
einem flexiblen Material hergestellt oder weist ein solches flexibles
Material auf. Dabei ist der Dosierschlauch bevorzugt ausreichend
flexibel, um mehrfach eine zeitlich begrenzte Reduktion seines Querschnitts
zu erlauben, wobei der Querschnitt des Dosierschlauchs derart reduziert
werden kann, dass ein Substrattransport durch den querschnittsreduzierten
Bereich nicht mehr möglich ist.
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Die
erfindungsgemäße Dosiervorrichtung weist eine
Aufnahmesperrvorrichtung, eine Abgabesperrvorrichtung und einen
Dosierraum auf, der den Bereich der Dosierstrecke umfasst, welcher
auf der einen Seite von der Aufnahmesperrvorrichtung und auf der
anderen Seite von der Abgabesperrvorrichtung begrenzt wird.
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Die
Aufnahmesperrvorrichtung dient dazu, gezielt Substrat in die Dosierstrecke
aufzunehmen, ggf. aus einem Vorlagebehälter, bzw. diese
Aufnahme zu unterbrechen.
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Die
Abgabesperrvorrichtung dient dazu, gezielt Substrat aus der Dosierstrecke
zu entnehmen bzw. diese Entnahme zu unterbrechen.
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Der
Dosierraum umfasst das Volumen der Dosierstrecke welches zur Verfügung
steht für die regel- und/oder steuerbare Beladung eines
Bioreaktors mit Substrat.
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Die
Aufnahmesperrvorrichtung ermöglicht eine regel- und/oder
steuerbare Substrataufnahme, ggf. aus einem Vorlagebehälter,
in einen Dosierraum der Dosierstrecke. Die Aufnahmesperrvorrichtung
ist in einem Bereich der Dosierstrecke angebracht, der zwischen
einem Vorlagebehälter und Dosierraum liegt. Bevorzugt ist
die Aufnahmesperrvorrichtung in einem Bereich der Dosierstrecke
angeordnet, der näher zum Vorlagebehälter liegt,
als die Mitte der Dosierstrecke.
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Die
Abgabesperrvorrichtung ermöglicht eine regel- und/oder
steuerbare Substratabgabe aus dem Dosierraum beispielsweise in einen
Bioreaktor. Die Abgabesperrvorrichtung ist in einem Bereich der
Dosierstrecke angebracht, die zwischen Dosierraum und einem Ende
der Dosierstrecke liegt. Bevorzugt ist die Abgabesperrvorrichtung
in einem Bereich der Dosierstrecke angeordnet, der näher
an einem dem Vorlagebehälter abgewandten Ende der Dosierstrecke
liegt, als die Mitte der Dosierstrecke.
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Die
Aufnahmesperrvorrichtung und/oder die Abgabesperrvorrichtung kann
als regel- und/oder steuerbare, ventilartige Vorrichtung ausgestaltet sein.
Die Wahl der geeigneten Vorrichtung für die jeweilige Sperrvorrichtung
kann beispielsweise von dem zu verwendenden Substrat abhängen.
Dem Fachmann sind geeignete Vorrichtungen bekannt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform kann die Aufnahmesperrvorrichtung
und/oder Abgabesperrvorrichtung als Druckluft-betriebenes Ventil
ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Sperrvorrichtung als mit
Druckluft inflatierbarer Körper, z. B. in Form eines Rings,
aus einem flexiblen Material ausgestaltet sein, welcher derart an
der Dosierstrecke und/oder dem Dosierschlauch angebracht ist, dass bei
einer Expansion des Körpers mindestens in einem Teilbereich
der Querschnitt der Dosierstrecke oder des Dosierschlauchs reduzierbar
ist. Dieser Körper ist im Wesentlichen luftdicht und weist
einen Druckluftanschluss auf, der es erlaubt, das Lumen des Körpers
regel- und/oder steuerbar mit Druckluft zu befüllen oder
zu entleeren. Wird der Körper mit Druckluft befüllt,
dehnt sich der Körper durch Volumenzunahme derart aus,
dass der Querschnitt der Dosierstrecke und/oder des Dosierschlauchs
mindestens in einem Teilbereich reduziert wird. Bevorzugt kann der
Querschnitt in diesem Teilbereich derart reduziert werden, dass
ein Durchtritt von Substrat durch die verengte Stelle der Dosierstrecke
und/oder des Dosierschlauchs nicht mehr möglich ist. Die Sperrvorrichtung
liegt dann in geschlossenem Zustand vor. Über den Druckluftanschluss
kann dem Körper regel- und/oder steuerbar Druckluft entnommen
werden. Dadurch verringert sich das Volumen des Körpers
derart, dass ein Durchtritt von Substrat durch die nun nicht mehr
verengte Stelle der Dosierstrecke und/oder des Dosierschlauchs wieder
möglich wird.
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Die
erfindungsgemäße Dosiervorrichtung weist eine
Steuereinheit auf, über welche die Aufnahmesperrvorrichtung
und die Abgabesperrvorrichtung unabhängig voneinander regel-
und/oder steuerbar verschließ- und/oder öffenbar
sind. Bevorzugt ist die Steuereinheit frei programmierbar. Durch
geeignete Wahl von Regel- und/oder Steuerungsparametern kann mittels
der Steuereinheit eine automatische Dosierung von Substrat in einen
Bioreaktor erfolgen. Die Steuereinheit kann dabei derart ausgebildet
sein, dass sich je nach Betriebsart und -zustand des Bioreaktors
unterschiedliche Regel- und/oder Steuerungsparameter eingeben und
fahren lassen. Die Steuereinheit ist bevorzugt in der Lage Eingangssignale
zu verarbeiten und entsprechend die Dosierung ereignisorientiert,
beispielsweise in Abhängigkeit von der Gasproduktion eines
Bioreaktors oder des Methangehaltes im erzeugten Biogas, zu regeln
und/oder zu steuern. Dazu können neben anderen Parametern auch
solche in biotechnologischen Prozessen routinemäßig
gemessene physikalisch-chemische Parameter, wie der pH-Wert, zur
Steuerung der Dosiervorrichtung verwendet werden.
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Die
erfindungsgemäße Dosiervorrichtung kann derart
ausgestaltet sein, dass bei geöffneter Aufnahmesperrvorrichtung
der Transport von Substrat, ggf. aus einem Vorlagebehälter,
in den Dosierraum passiv erfolgt. „Passiv” bedeutet
in diesem Zusammenhang, dass für den Transport des Substrats in
die Dosierstrecke und/oder den Dosierschlauch keine Zufuhr von Energie
notwendig ist. Bevorzugt erfolgt die Aufnahme von Substrat in die
Dosierstrecke und/oder den Dosierschlauch aufgrund von Schwerkraft.
Dazu weist die Dosiervorrichtung beispielsweise ein ausreichendes
Gefälle zwischen dem zu befüllenden Substrat und
dem Dosierraum der Dosierstrecke und/oder des Dosierschlauchs auf.
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Die
erfindungsgemäße Dosiervorrichtung kann auch derart
ausgestaltet sein, dass bei geöffneter Abgabesperrvorrichtung
der Transport von Substrat aktiv erfolgt. „Aktiv” bedeutet
in diesem Zusammenhang, dass für den Transport des Substrats
aus dem Dosierraum durch die Abgabesperrvorrichtung eine Zufuhr
von Energie notwendig ist. Bevorzugt weist die erfindungsgemäße
Dosiervorrichtung Mittel auf, mittels derer ein gerichteter Druck
auf das Substrat erzeugbar ist, der dafür sorgt, dass das
Substrat in der Dosierstrecke und/oder dem Dosierschlauch gerichtet
aus dem Dosierraum durch die Abgabesperrvorrichtung bewegt wird.
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Um
einen solchen aktiven Transport von Substrat aus dem Dosierraum
zu ermöglichen kann die erfindungsgemäße
Dosiervorrichtung beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass
der Dosierraum an seiner Innenseite von einer flexiblen Membran umgeben
ist. Die flexible Membran ist bevorzugt so ausgestaltet, dass durch
Ein- oder Ausleitung von Druckluft in die flexible Membran, der
Querschnitt des Dosierraums mindestens in einem Teilbereich verändert
werden kann. Um einen gerichteten Druck auf das im Dosierraum vorhandene
Substrat zu erzeugen weist die flexible Membran eine Wandstärke, die
in einem dem Vorlagebehälter zugewandten Bereich kleiner
und in einem der Abgabesperrvorrichtung zugewandten Bereich größer
ist, als die durchschnittliche Wandstärke der flexiblen
Membran. Durch diese asymmetrische Verteilung der Wandstärke
in einer der Dosierstrecke und/oder dem Dosierschlauch zugewandten
Seite der flexiblen Membran wird erreicht, dass beim Befüllen
der flexiblen Membran mit Druckluft der Querschnitt in einem dem Vorlagebehälter
zugewandten Bereich der Dosierstrecke und/oder des Dosierschlauchs
früher und/oder stärker reduziert wird, als in
einem dem zweiten Dosierstreckenende zugewandten Bereich. Es wird
also ein Druck auf das Substrat erzeugt, der vom Vorlagebehälter
weg hin zu einem ggf. angeschlossenen Bioreaktor gerichtet ist.
Das Substrat wird gerichtet in die gewünschte Richtung
aus dem Dosierraum bewegt. Bevorzugt liegt diese flexible, mit Druckluft
inflatierbare Membran als Ring vor, der den Dosierraum mindestens
in einem Teilbereich umschließt.
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Bevorzugt
ist dabei die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung
so ausgestaltet, dass die Veränderung des Querschnitts
in mindestens einem Teilbereich des Dosierraums über die
Steuereinheit regel- und/oder steuerbar ist.
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Zusätzlich
können die Aufnahmesperrvorrichtung und/oder die Abgabesperrvorrichtung
der erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung Druckluftbetrieben
sein und eine flexible Membran aufweisen, die derart ausgestaltet
ist, dass durch Ein- oder Ausleiten von Druckluft in die flexible
Membran die Aufnahmesperrvorrichtung und/oder die Abgabesperrvorrichtung
verschließ- oder öffenbar ist, wobei die flexible
Membran eine Wandstärke aufweist, die in einem dem Vorlagebehälter
zugewandten Bereich kleiner und in einem dem Vorlagebehälter abgewandten Bereich
größer ist als die durchschnittliche Wandstärke
der flexiblen Membran.
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Um
einen aktiven Transport von Substrat aus dem Dosierraum zu ermöglichen
kann die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung beispielsweise auch
derart ausgestaltet sein, dass die Aufnahmesperrvorrichtung als
bewegliche, rotierbare Walze ausgebildet ist. Der gerichtete Druck
auf das Substrat im Dosierraum wird dadurch erzeugt, dass die bewegliche,
rotierbare Walze auf die Dosierstrecke und/oder den Dosierschlauch
pressbar ist und dadurch den Querschnitt der Dosierstrecke und/oder des
Dosierschlauchs derart reduziert, dass ein Durchtritt von Substrat
durch die verengte Stelle nicht mehr möglich ist. Wird
die Walze nun von einem dem Vorlagebehälter zugewandten
Ende des Dosierraums her in Richtung auf die Abgabesperrvorrichtung
bewegt, so wird auf das Substrat im Dosierraum ein gerichteter Druck
erzeugt und das Substrat wird weg vom Vorlagebehälter hin
zur Abgabesperrvorrichtung bewegt.
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Bevorzugt
ist dabei die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung
so ausgestaltet, dass die Dosiervorrichtung einen Dosierschlauch
gemäß Anspruch 2 und zusätzlich einen
Motor aufweist, der die Walze bewegt und die Walze derart ausgeführt
ist, dass sie:
- i) entlang der Dosierstrecke
auf und ab geführt werden kann;
- ii) bei einer Bewegung in Richtung auf die Abgabesperrvorrichtung
zu, derart auf die Dosierstrecke und/oder den Dosierschlauch pressbar
ist, dass die Aufnahme von Substrat aus dem Vorlagebehälter
in den Dosierraum unterbunden ist und das im Dosierraum befindliche
Substrat auf die Abgabesperrvorrichtung zu bewegt wird; und
- iii) bei einer Bewegung in Richtung auf den Vorlagebehälter
soweit von der Dosierstrecke und/oder dem Dosierschlauch entfernbar
ist, dass Substrat aus dem Vorlagebehälter in den Dosierschlauch nachführbar
ist.
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Bevorzugt
ist dabei die erfindungsgemäße Dosiervorrichtung
so ausgestaltet, dass die Veränderung des Querschnitts
in mindestens einem Teilbereich der Dosierstrecke und/oder des Dosierraums über
die Steuereinheit regel- und/oder steuerbar ist. Insbesondere kann
der Anpressdruck der Walze sowie die Richtung und Geschwindigkeit
der Bewegung der Walze über die Steuereinheit regel- und/oder steuerbar
sein. Bevorzugt ist die Steuereinheit derart mit dem Motor der Walze
verbunden, dass eine Bewegung der Walze mittels der Steuereinheit
regel- und/oder steuerbar ist.
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Bei
erfindungsgemäßen Dosiervorrichtungen mit Mitteln
für einen aktiven Transport von Substrat aus dem Dosierraum
ist die Abgabesperrvorrichtung bevorzugt als passive Sperrvorrichtung
ausgestaltet, die einen Durchtritt von Substrat verhindert solange
ein bestimmter Anpressdruck des Substrats auf die Abgabesperrvorrichtung
nicht überschritten wird. Wird das Substrat im Dosierraum
mit einem gerichteten Druck auf die Abgabesperrvorrichtung gepresst,
der einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, so öffnet
die Abgabesperrvorrichtung und erlaubt solange den Durchtritt von
Substrat, bis der Druck des Substrats auf die Abgabevorrichtung
wieder unter den Schwellenwert sinkt. Eine solche passive Abgabesperrvorrichtung
kommt bevorzugt in Kombination mit einer aktiven Aufnahmesperrvorrichtung
in Form einer rotierbaren Walze zum Einsatz.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst auch einen Bioreaktor mit einer erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung. Dabei wird unter dem Begriff „Bioreaktor” ein
Behälter verstanden, in dem Mikroorganismen oder Zellen
von Tieren oder Pflanzen unter regulierbaren Bedingungen kultiviert
werden, um entweder die Mikroorganismen oder Zellen selbst, Teile
von ihnen oder eines ihrer Stoffwechselprodukte, wie zum Beispiel
Rohstoffe zur Energiegewinnung (z. B. Methan), aktive Substanzen
für Pharmazeutika oder andere Nutzstoffe zu gewinnen.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Verwendung der
erfindungsgemäßen Dosiervorrichtung zur automatisierten
Zufuhr von Substrat in einen Bioreaktor, insbesondere von Bioreaktoren
mit kleinen oder kleinsten Reaktionsvolumen, wie beispielsweise
Bioreaktoren im Labor- oder Technikummaßstab.
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Figuren:
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1 zeigt
eine Gesamtübersicht einer erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung gemäß den Ausführungsbeispielen
1 und 2.
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2 zeigt
eine Ausführungsform der Dosierstrecke einer erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel
1.
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3 zeigt
eine Ausführungsform der Dosierstrecke einer erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel
2.
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4 zeigt
eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel
3.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Ausführungsbeispiel 1:
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In 1 ist
eine Gesamtübersicht einer erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel
1 gezeigt. Dabei weist die Dosiervorrichtung eine Dosierstrecke 11 gemäß 2 auf.
Die Dosiervorrichtung 11 zur Substratzufuhr gemäß 2 ist
dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmesperrvorrichtung 3 und
die Abgabesperrvorrichtung 5 als Druckluft-betriebene Ventile
ausgestaltet und jeweils mit einer mit Druckluft inflatierbaren
flexiblen Membran 6 versehen sind, wobei die flexiblen Membranen 6 jeweils über
einen Druckluftanschluss 7 verfügen, der es ermöglicht,
dass Druckluft in die flexible Membran 6 ein- beziehungsweise
ausströmen kann. Darüber hinaus umfasst die Dosierstrecke 11 mindestens
einen Dosierschlauch 8 aus flexiblem Material, in dem sich
das zu dosierende Substrat 9 befindet und der im Inneren
der Dosierstrecke 11 verläuft. An einem ersten
Ende der Dosierstrecke 11 ist der Vorlagebehälter 1 installiert
(1), während ein zweites Ende der Dosierstrecke 11 so
mit einer Öffnung im Bioreaktor verbunden ist, dass das
Substrat 9 aus der Dosierstrecke 11 in den Bioreaktor 10 gelangen
kann (1). Die Ansteuerung der Dosierstrecke 11 erfolgt über
eine Steuereinheit 2, die vorzugsweise freiprogrammierbar
ist (1).
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In
der Grundstellung ist der Substratbehälter 1 mit
Substrat 9 gefüllt und die Aufnahme- 3 sowie die
Abgabesperrvorrichtung 5 liegen in geschlossenen Zustand
vor. Dies wird vorliegend folgendermaßen erreicht. In die
flexible Membran 6 der Aufnahmesperrvorrichtung 3 wird über
die Steuereinheit 2 regel- und/oder steuerbar Druckluft
eingeblasen und die flexible Membran 6 aufgeweitet, wodurch der
innere Durchgang des Dosierschlauchs 8 verschlossen wird.
Substrat kann nun nicht mehr aus dem Vorlagebehälter 1 in
den Dosierraum 4 gelangen. Es wird in die flexible Membran 6 der
Abgabesperrvorrichtung 5 über die Steuereinheit 2 Druckluft
eingeblasen und die flexible Membran 6 aufgeweitet, wodurch
der innere Durchgang des Dosierschlauchs 8 verschlossen
wird, dadurch ist die Verbindung zwischen Dosierraum 4 und
Bioreaktor 10 geschlossen.
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Als
Vorbereitung zur Substratdosierung wird aus der flexiblen Membran 6 der
Aufnahmesperrvorrichtung 3 über die Steuereinheit 2 Druckluft
abgelassen, wodurch sich die flexible Membran 6 zusammenzieht,
die Aufnahmesperrvorrichtung 3 geöffnet und der
innere Durchgang des Dosierschlauchs 8 freigegeben wird.
Substrat 9 fällt nun aus dem Vorlagebehälter 1 in
den Dosierraum 4 und füllt diesen. Im Anschluss
wird die Aufnahmesperrvorrichtung 3 wieder in den geschlossenen
Zustand versetzt. Sich im Bereich der Aufnahmesperrvorrichtung 3 befindendes
Substrat 9 wird durch die flexible Membran 6 fixiert.
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Nun
wird die Abgabesperrvorrichtung 5 geöffnet, wobei
aus der flexiblen Membran 6 der Abgabesperrvorrichtung 5 über
die Steuereinheit 2 Druckluft abgelassen, wodurch sich
die flexible Membran 6 zusammenzieht und der innere Durchgang
des Dosierschlauchs 8 freigegeben wird. Das Substrat 9 aus dem
Dosierraum 4 fällt in den Bioreaktor 10.
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Der
Zyklus kann nun wieder von vorn beginnen, indem über die
Steuereinheit 2 die Abgabesperrvorrichtung 5 geschlossen
und anschließend die Aufnahmesperrvorrichtung 3 wieder
geöffnet wird.
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Pro
Zyklus kann die im Dosierraum 4 befindliche Substratmenge
in den Bioreaktor 10 dosiert werden. Die Dosierung kann
beliebig oft erfolgen und ist lediglich abhängig vom Volumen
des Dosierraums 4 und der Gesamtzeit für die Entleerung
und Wiederbefüllung dieses Dosierraums 4. Da die
Steuereinheit 2 in der Lage ist Eingangssignale zu verarbeiten, kann
die Dosierung ereignisorientiert, beispielsweise in Abhängigkeit
von der Gasproduktion eines Bioreaktors oder des Methangehaltes
im erzeugten Biogas, erfolgen. Auch in anderen biotechnologischen Prozessen
routinemäßig gemessene physikalisch-chemische
Parameter, wie der pH-Wert, sind zur Ansteuerung der Dosiervorrichtung
einsetzbar.
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Ausführungsbeispiel 2:
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In 1 ist
eine Gesamtübersicht einer erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel
2 gezeigt. Dabei weist die Dosiervorrichtung gemäß Ausführungsform
2 eine Dosierstrecke 11 gemäß 3 auf.
In 3 ist eine Dosierstrecke 11 mit aktivem
Transport von Substrat aus dem Dosierraum 4 dargestellt.
Die Dosierstrecke 11 zur Substratzufuhr gemäß 3 unterscheidet
sich vom Ausführungsbeispiel der 2 darin,
dass die Aufnahmevorrichtung 3, die Abgabevorrichtung 5 und der
Dosierraum 4 statt einer flexibel Membran 6 jeweils
eine flexible Membran 15 aufweisen, deren Wandstärke
in Längsrichtung teilweise verdickt ist. Dadurch wird das
Substrat 9 aus einem Bereich der Dosierstrecke 11 in
den nächsten Bereich gedrückt. Diese Ausführung
erlaubt einen Einsatz der Dosiervorrichtung unabhängig
von der Einbaulage.
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Ausführungsbeispiel 3:
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In 4 ist
eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Dosiervorrichtung mit aktivem Transport von Substrat aus dem Dosierraum dargestellt.
Die Dosierstrecke 11 zur Substratzufuhr ist bei Ausführungsbeispiel
gemäß 4 dadurch gekennzeichnet, dass
sie mindestens eine Führungsschiene 12 umfasst,
auf der eine Aufnahmesperrvorrichtung 3 in Form einer rotierfähigen Walze
so angebracht ist, dass die Walze über eine Gewindestange 13,
die über einen Motor 14 angetrieben ist, wahlweise
nach oben oder unten bewegt werden kann. Darüber hinaus
umfasst die Dosiervorrichtung mindestens einen Dosierschlauch 8 aus
einem flexiblen Material, in dem sich zu dosierendes Substrat 9 befindet.
Auf das eine Ende der Dosierstrecke 11 ist der Vorlagebehälter 1 installiert,
während das zweite Ende der Dosierstrecke 11 so
mit einer Öffnung im Bioreaktor 10 verbunden ist,
dass das Substrat 9 aus der Dosierstrecke 11 in
den Bioreaktor 10 gelangen kann. Zwischen Dosierstrecke 11 und Biorektor 10 ist
eine Abgabesperrvorrichtung 5 installiert, die das Substrat 9 vom
Bioreaktor 10 trennt. Die Ansteuerung der Dosierstrecke 11 erfolgt über
eine Steuereinheit 2, die vorzugsweise frei programmierbar
ist. In der Grundstellung sind der Vorlagebehälter 1 und
der Dosierschlauch 8 mit Substrat 9 gefüllt.
Die Abgabesperrvorrichtung 5 ist geschlossen und dadurch
die Verbindung zwischen Dosierraum 4 und Bioreaktor 10 unterbrochen.
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Zur
Substratdosierung wird über die Steuereinheit 2 die
Abgabesperrvorrichtung 5 geöffnet und der Motor 14 in
Betrieb gesetzt, wodurch die Gewindestange 13 in Rotationsbewegung
versetzt wird und sich die rotierfähige Walze der Aufnahmesperrvorrichtung 3 entlang
der Führungsschiene 12 und in Kontakt mit dem
Dosierschlauch 8, in Richtung Bioreaktor 10 bewegt.
Dadurch wird der Dosierschlauch 8 im Kontaktbereich mit
der Walze der Aufnahmesperrvorrichtung 3 zusammengedrückt
und ein dem durch die Walzenbewegung verdrängtem Volumen
des Dosierschlauchs 8 adäquates Volumen an Substrat 9 in den
Bioreaktor 10 dosiert. in dieser Weise kann so lange Substrat 9 in
den Bioreaktor 10 dosiert werden, bis der Dosierschlauch 8 vollständig
entleert ist. Danach wird die Abgabesperrvorrichtung 5 über
die Steuereinheit 2 geschlossen und die rotierfähige Walze
der Aufnahmesperrvorrichtung 3 ebenfalls über
die Steuereinheit 2 so bewegt, das sie sich vom Dosierschlauch 8 soweit
entfernt, das dieser sich zu seinem vollen Querschnitt entfalten
kann. Gleichzeitig wird die rotierfähige Walze der Aufnahmesperrvorrichtung 3 mit
Hilfe der Gewindestange 13 in ihre obere Endlage gebracht.
Der zum Vorlagebehälter 1 hin offene Dosierschlauch 8 wird
selbständig mit Substrat 9 gefüllt. Wenn
die rotierfähige Walze ihre Ausgangslage unterhalb des
Vorlagebehälters 1 erreicht hat, wird sie über
die Steuereinheit 2 so bewegt, dass sie den Dosierschlauch 8 zusammendrückt.
Die Dosiervorrichtung ist jetzt für einen neuen Dosierzyklus
bereit. Da die Steuereinheit 2 in der Lage ist Eingangssignale
zu verarbeiten, kann die Dosierung ereignisorientiert, auf der Basis
eines im Prozess gemessenen Parameters erfolgen.
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- 1
- Vorlagebehälter
- 2
- Steuereinheit
- 3
- Aufnahmesperrvorrichtung
- 4
- Dosierraum
- 5
- Abgabesperrvorrichtung
- 6
- flexible
Membran
- 7
- Druckluftanschluss
- 8
- Dosierschlauch
- 9
- Substrat
- 10
- Bioreaktor
- 11
- Dosierstrecke
- 12
- Führungsschiene
- 13
- Gewindestange
- 14
- Motor
- 15
- flexible
Membran mit teilweise verdickter Wandstärke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 19961012789 [0002]
- - WO 11998/018536 [0002]
- - WO 12008/110310 [0002]
- - WO 2008/006335 [0002]