DE2539453A1 - Verfahren zur umsetzung eines mikrobiologischen substrates und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zur umsetzung eines mikrobiologischen substrates und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

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Description

Bnreichferfig zur
Weiterleitung erhalten
Patentanvvuiie
Di'pL-Ing. H. Leccer D/pl.-Ing. O. Flügel
Giovanola Fr&res SA, Monthey (Schweiz)
Verfahren zur Umsetzung eines mikrobiologischen Substrates und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
In der biochemischen Verfahrenstechnik werden häufig Mikroorganismen in einem flüssigen Nährsubstrat gezüchtet und dieses dadurch umgesetzt. Diese Umsetzungen erfolgen etwa in einem geschlossenen Fermenter oder einer Blasensäule, wobei bei aeroben Prozessen noch ein Gas, das heisst Luft oder Sauerstoff eingetragen wird.
Die für das Umsetzungs-Verfahren verwendete Vorrichtung soll so beschaffen sein, dass sich für die Bakterien oder Pilze optimale Wachstumsbedingungen ergeben. Es ist nun bereits bekannt, für das Umsetzungs-Verfahren einen geschlossenen Substrat-Kreislauf zu erzeugen, bei denen das Substrat kontinuierlich ein Leitsystem durchströmt. Als Leitsysteme werden etwa vertikal angeordnete Fermenter verwendet, die einen zylindrischen Aussenmantel
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aufweisen, in welchem ein ebenfalls zylindrischer Innenmantel angeordnet ist. Durch eine Pumpe wird das Substrat dann derart in Bewegung versetzt, dass es etwa zwischen dem Aussen- und dem Innenmantel hochsteigt, beim Ende des letzteren in den vom Innenmantel begrenzten Hohlraum überläuft und durch diesen wieder zurückströmt. Dabei enthält der Permenter im allgemeinen nur soviel Substrat, dass sich im oberen Bereich des vom Innenmantel begrenzten Hohlraumes ein freier Raum ergibt, der als Entgasungszone dienen kann.
Derartige Permenter erfüllen zwar ihre Aufgabe, haben Jedoch den Nachteil, dass das Züchten der Kulturen und die biochemischen Umsetzungen oft eine grosse Zeitdauer beanspruchen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, bei dem die biochemischen Umsetzungen beschleunigt werden können.
Es wurde nun gefunden, dass die Umsetzungen sowohl bei anaeroben als auch bei aeroben Prozessen beschleunigt werden können, wenn der Druck des Substrates in der Reaktionszone entlang dem Strömungsweg abwechselnd ab- und wieder zunimmt. Bei anaeroben Prozessen ist die Erhöhung der Umsetzungsgeschwindigkeit wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass die Zellwände der Mikroorganismen durch die Druckänderungen einer Deformationsbewegung unterworfen werden, die den Stoff austausch fördert.
Bei aeroben Prozessen hängt die Wachstums- und Reaktionsgeschwindigkeit stark vom Gasaustausch der Mikroorganismen ab, der wiederum von der im Substrat gelösten Gasmenge und von der Grösse und der Verteilung der Gasblasen abhängig ist. Es wurde nun festgestellt, dass besonders aerobe Prozesse durch Druckänderungen des Substrates günstig beeinflusst werden können. Dies dürfte daher rühren, dass die Gasblasen bei änderndem Substrat-Druck ihren Durchmesser und ihre Oberfläche ändern,
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wobei im Innern der Blasen turbulente Gasströmungen stattfinden können. Dies hat zur Folge, dass die Blasen beim Kontakt mit den lebenden Zellen leichter geöffnet werden können.
Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur Umsetzung eines flüssigen, mikrobiologischen Substrates, bei dem das letztere ein Leitsystem durchströmt, das erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass man das Substrat einen Leitsystem-Abschnitt durchströmen lässt, dessen Querschnitt entlang dem Strömungsweg abwechselnd ab- und zunimmt, so dass der Substrat-Druck abwechselnd ab- und zunimmt.
Die Erfindung betrifft des weitern eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einem Leitsystem, in welchem ein Substrat eine strömende Bewegung ausführen kann. Diese ist dadurch gekennzeichnet, dass das Leitsystem einen Abschnitt mit entlang dem Strömungsweg abwechselnd ab- und zunehmendem Querschnitt aufweist.
Der entlang dem Strömungsweg ändernde Querschnitt des Leitsystems bewirkt wegen der Massenerhaltung, oder mit andern Worten, wegen der Kontinuität der Strömung, eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit. Diese bewirkt dann ihrerseits nach der Gleichung von Bernoulli eine Änderung des Druckes.
Im folgenden soll nun die Erfindung anhand verschiedener, zur Durchführung des Verfahrens dienender, beispielsweise in der Zeichnung schematisch dargestellter Vorrichtungen erläutert werden. In der Zeichnung zeigen
die Pig. I einen Längsschnitt durch einen vertikalen Fermenter,
die Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Blasensäule und
die Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen liegenden Fermenter.
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In der Figur 1 ist ein vertikal stehender Fermenter 1 dargestellt, der als Vorrichtung zum Züchten aerober Mikroorganismen in einem flüssigen Nährsubstrat dient. Der Fermenter 1 weist einen Aussenmantel 2 mit einem zylindrischen Abschnitt 2a auf, an den am untern Ende ein flaschenhalsartiger Abschnitt 2b anschliesst. Der Aussenmantel 2 wird am Ende des Abschnittes 2b durch einen lösbaren Boden 3 dicht abgeschlossen. Am oberen Ende wird der Aussenmantel 2 durch einen ebenfalls lösbaren Deckel 4 dicht abgeschlossen.
Der Aussenmantel 2, der Boden 3 und der Deckel 4 bilden zusammen ein dichtes Gefäss. In dessen Innern ist ein Innenmantel 5 angeordnet, der einen Abschnitt 5a mit einer zylindrischen, zum Aussenmantel-Abschnitt 2a koaxialen Innenfläche und einen flaschenhalsförmigen Abschnitt 5b aufweist. Der letztere verläuft ungefähr parallel zum Abschnitt 2b des Aussenmantels 2, wobei zwischen den beiden Abschnitten 2b, 5b ein freier Zwischenraum vorhanden ist. Zwischen der Aussenflache des Innenmantel-Abschnittes 5a und der Innenfläche des Aussenmantel-Abschnittes 2a ist ebenfalls ein kleiner freier Zwischenraum vorhanden. Die Aussenflache des Innenmantel-Abschnittes 5a weist jedoch ein wellenförmiges Profil auf, so dass der Querschnitt des freien Zwischenraumes bei den Wellenbergen etwa zwei- bis dreimal kleiner ist als bei den Wellentälern. Im übrigen ist der Innenmantel 5 kürzer als der Aussenmantel 2 und derart befestigt, dass zwischen seinem unteren Ende und dem Boden 3» sowie zwischen seinem oberen Ende und dem Deckel 4 noch ein freier Zwischenraum vorhanden ist.
Am Boden 3 ist eine Flügelrad-Pumpe 6 mit einem Flügelrad 6a befestigt, dessen Drehachse mit der Symmetrieachse der beiden Mantel 2 und 5 zusammenfällt. Im übrigen ist die Pumpe 6 derart angeordnet und ausgebildet, dass sich das Flügelrad 6a im Innern des flaschenhalsförmigen Innenmantel-Abschnittes 5b befindet.
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In den flaschenhalsformigen Aussenmantel-Abschnitt 2a ist ferner in der Nähe des unteren Endes ein Ablasstutzen 7 mit einem Hahn 8 eingesetzt.
Der Deckel 4 ist mit einem Substratzufuhrstutzen 9 und einem Gaszufuhranschluss-Stutzen 10 versehen. Dessen inneres Ende ist mit einem Gaszufuhrrohr 10a verbunden, dessen Mündung sich etwa auf der Höhe der unteren Enden der Mantel-Abschnitte 2a und 5a befindet. .
Des weitern weist der Deckel 4 einen Gasableitungsstutzen 11 auf, der auf der Innenseite des Deckels 4 in den Innenraum mündet. In den Deckel ist ferner eine Sonde 12 zur Überwachung der Schaumbildung eingesetzt.
Der Aussenmantel 2 wird im mittleren Bereich von einem weitern Mantel 13 umgeben, der an seinem oberen und unteren Ende einen Anschluss-Stutzen l4 aufweist. Die beiden Mäntel 2 und 13 begrenzen zusammen einen gegen aussen dicht abgeschlossenen Zwischenraum, der beim Betrieb des Permenters 1 von einem Kühlmittel durchströmt wird.
Im folgenden soll nun die Arbeitsweise des Permenters 1 erläut ert werden. Für den Betrieb wird das vom Aussenmantel 2, vom Boden 3 und vom Deckel 4 gebildete Gefäss 2, 3, 4 etwa halb mit dem umzusetzenden Substrat 15 gefüllt, so dass sich dessen Flüssigkeitsspiegel 15a im Innenmantel 5 etwa in der halben Höhe des Innenmantel-Abschnittes 5a befindet. Fells es sich um einen aeroben Prozess handelt, wird über den Gaszufuhrstutzen 10 und das Gaszufuhrrohr 10a zusätzlich Gas, häufig Sauerstoff oder Luft, zugeführt. Durch die Pumpe 6 wird das Substrat dann derart gefördert, dass es durch den flaschenhalsartigen Innenmantel-Abschnitt 5b nach unten strömt, nach dem Austritt aus dem Innenmantel 5 um l80° umgelenkt wird und nachher im Zwischenraum 16 zwischen den beiden Mänteln 2, 5 nach oben strömt. Wenn das auf-
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wärts strömende Substrat den oberen Rand des Innenmantels 5 erreicht, fällt es wieder in den Innenraum des letzteren zurück.
Das Gefass 2,3,^ bildet also zusammen mit dem Innenmantel 5 ein Leitsystem für einen geschlossenen Substratkreislauf. Der Gasaustausch erfolgt dabei hauptsächlich im Zwischenraum 16, der also die Reaktionszone bildet. Im oberen, mit l6a bezeichneten, von den Mantel-Abschnitten 2a und 5a begrenzten Reaktionszonen-Abschnitt nimmt der Querschnitt wegen des wellenförmigen Profils des Innenmantel-Abschnittes 5a. entlang dem Strömungsweg abwechselnd ab und wieder zu. Wegen der Massenerhaltung, oder mit andern Worten, wegen der Kontinuität der Strömung, ändert dann auch die Geschwindigkeit der letzteren. Dies hat nach der Gleichung von Bernoulli zur Folge, dass der Substrat-Druck bei denjenigen Stellen, wo der Reaktionszonen-Abschnitt 16a einen kleinern Querschnitt aufweist, kleiner wird. Die abwechselnde Druckänderung des Substrates beim Durchströmen des oberen Abschnittes der Reaktionszone bewirkt eine entsprechende abwechselnde Deformationsbewegung der Zellen der Mikroorganismen, wodurch der Stoffaustausch gefördert wird. Gleichzeitig werden durch die Änderungen des Substrat-Druckes auch die Grosse und der Innendruck der Gasblasen sowie die Gaslöslichkeit des Substrates verändert, was sich ebenfalls fördernd auf das Wachstum der Mikroorganismen und die dabei stattfindenden Umsetzungen des Substrates auswirkt.
Das Gas wird dem Substrat 15 zugeführt, bevor dieses am Flügelrad 6a der Pumpe 6 vorbeiströmt. Die letztere dient dann nicht nur zur Förderung des Substrates sondern gleichzeitig zum Dispergieren des Gases, so dass homogen verteilte Gasblasen entstehen. Die Verteilung der Gasblasen wird noch dadurch unterstützt, dass das Flügelrad 6a und die anschliessende, scharfe Umlenkung des Substrates um den unteren Rand des Innenmantels 5 in der Strömung eine Turbulenz auslöst, die dann je nach der
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Grosse der Reynold'sehen Zahl in der ganzen Reaktionszone 16 erhalten bleibt oder nach dem Durchlaufen eines Abschnittes davon wieder abklingt.
Wenn das Substrat die Reaktionszone durchströmt hat und wieder in den Innenraum des Innenmantels 5 zurückfällt, kann es einen Teil des vorhandenen Gases abgeben, das dann durch den Gasableitungsstutzen 11 abströmt. Der freie Raum über dem Flüssigkeitsspiegel 15a dient also als Entgasungszone.
Die Anzahl und Grosse der gebildeten Gasblasen kann durch geeignete Dosierung der Gaszufuhr und die Wahl der Pumpen-Drehzahl optimiert werden. Die Blasenbildung ist derart zu steuern, dass in der Entgasungszone nicht derart viel Schaum gebildet wirdj dass der Ablauf des Prozesses beeinträchtigt wird. Wenn die Umsetzung abgeschlossen ist, kann das Substrat über den Ablasstutzen 7 und den Hahn 8 entnommen werden. Es ist jedoch ohne weiteres auch möglich, den Permenter kontinuierlich zu betreiben und dem Gefäss 2,3,4 fortwährend durch den Stutzen 9 frisches Substrat zuzuführen und durch den Stutzen 7 Substrat zu entziehen.
Im Falle eines anaeroben Prozesses kann der Fermenter selbstverständlich auch ohne Gaszufuhr betrieben werden.
Die in der Figur 2 dargestellte Vorrichtung weist als Hauptbestandteil eine vertikale Blasensäule 21 auf, die mit einem die Reaktionszone bildenden Hohlkörper 22 versehen ist, dessen Durchmesser abwechselnd ab- und zunimmt. An das obere Ende des Hohlkörpers 22 schliesst ein Hohlzylinder 23 an, der oben durch einen Deckel 24 abgeschlossen ist. Der Hohlzylinder 23 ist in der Nähe seines unteren Endes mit einem Stutzen 25 versehen, der über eine Rohrleitung 26 mit einer Pumpe 27 verbunden ist. Von der letzteren führt ein Anschluss 28 zum unteren
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Ende des Hohlkörpers 22. Etwas oberhalb der Mündung der Rohrleitung 28 ragt ferner eine Gaszufuhrleitung 29 in den Hohlkörper 22 hinein. Beim oberen Ende des Hohlzylinders 23 ist ein Gasableitungsstutzen 30 eingesetzt. Der die Reaktionszone bildende Hohlkörper 22 ist ferner von einem schematisch dargestellten Kühlmantel 31 umgeben. Des weitern können im Hohlkörper 22 noch Gitter angeordnet sein.
Beim Betrieb kann die Pumpe 27 das Substrat 35 derart fördern, dass es in der Blasensäule nach oben bis zum Stutzen 25 steigt und von diesem über die Leitung 26 zur Pumpe 27 zurückströmt. Beim Eintritt in den Hohlkörper 22 wird das Substrat um einen Winkel von etwa 90° scharf umgelenkt, so dass sich im Bereich der Mündung der Gaszufuhrleitung 29 eine turbulente Strömung ausbilden kann, so dass das zugeführte Gas gut dispergiert wird. Wenn das Substrat 35 durch den Hohlkörper 22 nach oben strömt, nimmt sein Druck entlang den Stromlinien abwechselnd ab und wieder zu, wodurch wie schon beschrieben, seine Umsetzung beschleunigt wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung wird also das Substrat-Leitsystem im wesentlichen durch den Hohlkörper 22 und die Rohrleitung 26 gebildet.
Die Pumpe 27 kann selbstverständlich auch derart ausgebildet sein, dass sie das Substrat durch die Leitung 26 nach oben pumpt. In diesem Fall bewegen sich das Substrat und die Gasblasen im Hohlkörper dann in entgegengesetzten Richtungen.
Es ist jedoch auch möglich, die Pumpe 27 wegzulassen. In diesem Fall wird die Strömungsbewegung des Substrates durch das zugeführte und im Hohlkörper 22 aufsteigende Gas erzeugt.
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Die Figur 3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel einen liegenden Permenter 4l, von dem nur die wichtigsten Elemente dargestellt sind. Der Fermenter 4l weist zwei in einer gemeinsamen Ebene liegende, rohrartige Hohlkörper 42 auf. Die beiden die Reaktionszonen bildenden Hohlkörper 42 weisen entlang dem Strömungsweg abwechselnd ab- und zunehmende Querschnitte auf und ihre Enden sind durch zwei Rohrbogen 43 miteinander verbunden. Die beiden Hohlkörper 42 und die beiden Rohrbogen
43 bilden also zusammen ein Leitsystem für einen geschlossenen Kreislauf. Die Substrat-Strömung kann etwa durch zwei Pumpen
44 erzeugt werden. Falls es sich um einen aeroben Prozess . handelt, kann dem Substrat bei den Pumpen Gas zugeführt und nach dem Durchströmen der Reaktionszonen wieder entzogen werden,
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen bilden die Leitsysteme geschlossene Substrat-Kreisläufe. Falls die vorzunehmende Umsetzung nur eine kurze Zeit erfordert, können selbstverständlich auch Leitsysterne verwendet werden, die nicht als Kreisläufe ausgebildet sind und bei denen das Substrat bei einem Ende zugeführt und nach dem Durchströmen einer Reaktionszone beim andern Ende entnommen wird.
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Claims (8)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    (l) Verfahren zur Umsetzung eines flüssigen, mikrobiologischen
    Substrates, bei dem das letztere ein Leitsystem durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass man das Substrat (15, 35) einen Leitsystem-Abschnitt (l6a, 22, 42) durchströmen lässt, dessen Querschnitt entlang dem Strömungsweg abwechselnd ab- und zunimmt, so dass der Substrat-Druck abwechselnd ab- und zunimmt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Substrat (15, 35) derart Gas zugeführt wird, dass es beim Durchströmen des Leitsystem-Abschnittes (l6a,22) mit abwechselnd zu- und abnehmendem Querschnitt Gasblasen enthält.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsbewegung des Substrates durch das zugeführte Gas erzeugt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsbewegung des Substrates (15) mit einer Flügelradpumpe (6) erzeugt wird, die gleichzeitig das zugeführte Gas dispergiert.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrat-Strömung mindestens in einem Teil des Leitsystems (2,3,4,5,22,26) turbulent ist.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (15, 35) zur Erzeugung der Turbulenz vor dem Eintritt in den Leitsystem-Abschnitt (16,22) mit abwechselnd ab- und zunehmendem Querschnitt scharf umgelenkt wird.
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  7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Leitsystem, in welchem ein Substrat eine strömende Bewegung ausführen kann, dadurch gekennzeichnet, dass das
    Leitsystem (2,3,4,5,22,26,42,43) einen Abschnitt (16,22,42)
    mit entlang dem Strömungsweg abwechselnd ab- und zunehmendem Querschnitt aufweist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7> gekennzeichnet durch einen
    Gaszufuhranschluss (10,29) um dem Substrat (15»35) Gas zuzuführen .
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    Leerseite
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