DE3819254A1 - Fermentationsvorrichtung zur aeroben zuechtung von mikroorganismen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fermentationsvorrichtung zur aeroben Züchtung von Mikroorganismen, welche Vorrichtung aus einem an beiden Enden in Halbkreisform abgeschlossenen, heizbaren, kühlbaren, doppelwandigen, zylindrischen Körper besteht, in welchem auf eine drehbare Welle mindestens zwei Rührer montiert sind und in welchem eine Luftzuführungsöff­ nung, eine Luftabführungsöffnung und mindestens ein Dosier­ stutzen, ein Probeentnahmestutzen und mindestens eine Mess­ stelle vorhanden sind.

Die Verwendung von Mikroorganismen in technologischer Art in den verschiedenen Herstellungsprozessen verbreitete sich in grösserem Masse seit der Entdeckung des Penizillins, und im Laufe der Herstellung im Grossbetrieb wurde das System der Tiefkulturzüchtung der aeroben Mikroorganismen ausgear­ beitet.

Dieses System, das sich auf das Rühren und die Aerisa­ tion gründet, wurde in den letzten mehr als 40 Jahren ver­ vollkommnet bzw. in mehreren Richtungen weiterentwickelt. Diese Tendenzen sind in den verschiedenen Handbüchern ein­ gehend beschrieben (z.B. "Biotechnology" Vol.2. Editor: H. Bräuer, 1985).

Falls wir von den Vorrichtungen zu speziellen Zwecken, z.B. zur Züchtung von Stoffen, Abwasserreinigungsreaktoren, usw. absehen, richtete sich die Hauptlinie der Entwicklung auf das Vervollkommnen der geometrischen Formen des Fermen­ tors, der Proportionen der Abmessungen, der Form der Rührer im Interesse dessen, dass auf dem meistentwickelten Anwen­ dungsgebiet, so wie zum Herstellen von Antibiotikumenzymen und Aminosäuren ein Fermentor, der universell verwendbar ist, zustandegebracht werden soll.

Diese Technologien sind im allgemeinen durch einen grossen Sauerstoffanspruch charakterisiert. Der zum Stoff­ wechsel der Mikroorganismen notwendige Sauerstoff - bei der Tiefkulturzüchtung gelöster Sauerstoff - wird durch Rühren, Lüften im allgemeinen gesichert. Das Rühren und das Lüften besorgen gleichzeitig und auf einmal mehrere wichtige Funktionen:

• - sie sichern eine Homogenität in dem vollkommenen Volumen des Fermentsaftes, betreffend sowohl die Nährstoffver­ teilung als auch die ausgelassenen Stoffwechselprodukte;
• - sie sichern den Nachschub des Sauerstoffes dadurch, dass durch das Dispergieren der eingeblasenen Luft eine grosse Flüssigkeit-Gas-Grenzphase ausgebildet wird, wodurch die Einlösung von Sauerstoff ermöglicht wird;
• - sie sichern - die Spülwirkung der durchgeblasenen Luft ausnützend - die Entfernung der gasphasigen Stoffwechsel­ produkte.

Von den drei Funktionen ist die meistkritische die Sicherung des Oxygennachschubs.

Je grösser der Sauerstoffverbrauch des Mikroorganismus ist, mit desto mehr Luft und desto intensiverem Dispergieren bzw. Rühren kann der Sauerstoffüberschuss gesichert werden, was hinwiederum ein sehr grosser kostenerhöhender Faktor ist, deshalb ist es klar, warum seit langem eine Möglichkeit zur Verringerung dieses kostenerhöhenden Faktors gesucht wird.

Es wurden Lösungen gefunden, die dieser Erwartung zwar bloss teilweise und mit begrenzter Anwendbarkeit, doch ent­ sprechen.

Zu diesen zählt das Mammut-Pumpenprinzip, bei welchem der Rührer mit einem Rohr von grossem Durchmesser umgeben wird, wobei das Rohr über dem Flüssigkeitsniveau endet und die Luft unten in das Rohr eingeführt und unter den Rührer eingeblasen wird. Nach demselben Prinzip arbeitet der "Air lift loop Reaktor", nur wird bei diesem kein Rührer angewendet. Bei diesen Anwendungen kann die Flüssigkeit mit kleinerer Energieeinführung bewegt werden, und innerhalb des Rohres können relativ sauerstoffreiche Umstände gesichert werden, doch der am oberen Ende des Rohres austretende Fer­ mentsaft muss einen relativ langen, toten, unbelüfteten Raum durchlaufen bis er wieder in das Rohr gelangt, was nur wenige Fermentsäfte ohne Beschädigung ertragen.

Es scheint vorteilhafter die Belüftung mit Flüssig­ keitsstrahlen durchzuführen, bei welcher der Fermentsaft durch eine Pumpe auf einem äusseren Kreis zirkuliert wird, so dass die Pumpe den Fermentsaft von dem Unterteil des Fer­ mentors absaugt und in Form eines Strahles von mehreren Atmosphären in den Domraum des Fermentors zurückdrückt (Jetreaktor). Während der Flüssigkeitsstrahl den in dem Ober­ teil der Vorrichtung vorhandenen Luftraum durchströmt, nimmt er soviel Gas auf, dass er die komplette Fermentor­ kultur mit Sauerstoffüberschuss versehen kann. Bei dieser Lösung sind die spezifischen Energiekosten sehr günstig, doch die Kosten des Investitions-Mehraufwandes werden nur bei einem neuen Anlegen und über besonderen Fermentorab­ messungen ersetzt.

Die Absicht der Verringerung des spezifischen Energie­ bedarfes brachte die sogenannte "Tours" Fermentorkonstruk­ tion zustande, die aus einem horizontalen, kreisringförmi­ gen, in sich zurückkehrenden Rohr besteht, in welchem sich die Flüssigkeit ringsherum und auf und ab bewegt. Der relativ grosse Luftraum und der kleine hydrostatische Druck sichern bei der Sauerstoffversorgung einen vorteil­ haften Zustand, doch auch diese Vorrichtung hat den Nach­ teil, dass sich die Investitionsmehrkosten nur bei einem neuen Anlegen ersetzen, ausserdem ist ihr Platzbedarf auch sehr gross (A. EINSELE SWISS BIOTECHN. 46/1986 p. 21-24). Keine der erwähnten Lösungen ist dazu geeignet, die Verringerung des Energiebedarfes der bereits vorhandenen herkömmlichen Fermentoren mit geringen Mehrkosten zu sichern.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Sauerstoffversorgung durch wiederholtes Dispergieren der eingeblasenen Luft gesteigert werden kann. Bei den her­ kömmlichen Vorrichtungen ist nämlich der Hauptgrund der nied­ rigen Wirksamkeit der Sauerstoffzufuhr die physikalische Tatsache, dass sich die durch die Rührer dispergierte Luft schnell agglomeriert und dadurch die Flüssigkeit-Gas-Grenzphase abnimmt, was die Verlangsamung des Gasaustausches nach sich zieht. Dieses Agglomerieren wird durch die über dem untersten Rührer angeordneten Rührer nicht wesentlich beeinflusst, denn nur ein Bruchteil der Luftblasen gelangt in die aktive Rührzone der Rührer, die anderen weichen dem Rührer ohne wesentliches Dispergieren aus bzw. entweichen entlang der inneren Wand der Vorrichtung.

Die Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vor­ richtung zur aeroben Züchtung von Mikroorganismen, bei welcher der Energieaufnahmeanspruch verringert und gleich­ zeitig die Sauerstoffversorgung erhöht werden kann, ausserdem kann die Vorrichtung in die bereits vorhandenen Anlagen nachträglich eingebaut werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zwischen zwei benachbarten Rührern je ein unten und oben offener zweckmässig kegeliger Leitschirm angeordnet ist, bei welchem der äussere Umfang des unteren Randes kleiner ist als der innere Umfang des zylindrischen Körpers.

Vorteilhaft wird zwischen sämtlichen Leitschirmen und den dazugehörigen, unter diesen angeordneten Rührern je ein Leitring angeordnet, dessen äusserer Umfang sich mit der inneren Wand des zylindrischen Körpers der Vorrichtung be­ rührt, und der innere Umfang des Leitringes mit dem äusse­ ren Umfang des unteren Randes des unmittelbar über dem Leit­ ring vorhandenen Leitschirmes identisch oder kleiner ist.

Zweckmässig ist der Leitschirm kegelstumpfförmig und der Kegelwinkel liegt zwischen 90°-120°.

Der erfindungsgemäss ausgebildete und angeordnete Leitschirm sammelt die durch den zutiefst angeordneten Rührer dispergierte und danach auf den Weg der Agglomerisation tretende Luft und bringt die Luftblasen in die aktive Rühr­ zone des oberhalb befindlichen Rührers, so dass die Blasen in vollkommenem Masse wieder dispergiert werden. Dieser Vor­ gang wird so oft wiederholt, so viele Rührer in der Vorrich­ tung vorhanden sind. Das mehrfache Dispergieren ermöglicht, dass mit weniger Luft eine ebensolche Oxygenversorgung ge­ sichert wird wie in einem herkömmlichen Fermentor, oder sinngemäss mit Luft von unveränderter Menge eine bessere Oxygenversorgung erreicht wird als die, die in einem herkömmlichen Fermentor erreicht werden konnte.

Die luftsammelnde Funktion des Leitschirmes kann in grossem Masse erhöht werden, falls unter jedem Leitschirm und über jedem darunter befindlichen Rührer je ein Leitring angeordnet ist. Dies verhindert das "Entweichen" der Luft entlang der zylindrischen Wand der Vorrichtung, gleichzeitig hindert es die Bewegung der Flüssigkeit bzw. des Ferment­ saftes in vertikaler Richtung nicht.

Da durch Anwendung des Leitschirmes und des Leitringes die Bewegungsrichtung der Luft eindeutig definiert werden kann, und gleichzeitig die Bewegung der Flüssigkeit in ver­ tikaler Richtung nicht behindert wird, kann die vollkommene Homogenität zwischen den einzelnen - durch Leitschirme se­ parierten - Sektoren gesichert werden.

Die erfindungsgemässe Lösung ergibt auch einen weiteren Vorteil. Es ist bekannt, dass in einer Flüssigkeit die zum Drehen eines Rührers mit gegebener Geschwindigkeit notwen­ dige Energie verringert werden kann, falls unter die Rührer Gas, z.B. Luft eingeblasen wird, da das Flüssigkeit-Gas-Heterodis­ perssystem gegenüber dem Rührer einen kleineren Widerstand aufweist als die Flüssigkeit allein. Bei den herkömmlichen Fermentoren wird die Luft nur unter den unteren Rührer ein­ geführt, so dass nur die Bewegung dieses Rührers erleichtert wird. Die weiteren Rührer bewegen sich in einem mit Luft weniger vermischten Mittel mit einer grösseren Energieauf­ nahme.

In der erfindungsgemässen Vorrichtung drehen sich sämtliche Rührer in einem unter den gegebenen Umständen des geringsten Energieaufwand beanspruchenden Flüssigkeit-Gas- Heterodisperssystem - ohne dass zu den einzelnen Rührern eine separate Luftzufuhr gesichert werden musste. Dies wird durch die zwischen den Rührern angeordneten Leitschirme und die unter diesen angeordneten Leitringe ermöglicht.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert, wobei in der Zeichnung die erfindungsgemässe Vorrichtung im Längs­ schnitt schematisch dargestellt ist.

Wie aus der Figur hervorgeht, besteht die erfindungs­ gemässe Vorrichtung aus einem zylindrischen, doppelwandigen Körper 1, der an beiden Enden, unten und oben, halbkreis­ förmig abgeschlossen ist. An der Wand des Körpers 1 sind unten eine Luftzuführungsöffnung 2 und oben eine Luftabführungs­ öffnung 3 ausgebildet. Ähnlicherweise ist an der Wand des Körpers 1 unten eine Dampfeinführungsöffnung 25 und oben eine Dampfausführungsöffnung 26 vorhanden, ausserdem sind an dem Körper 1 oben mindestens ein Dosierstutzen 22 und unten mindestens ein Probeentnahmestutzen 23 angebracht. An dem Mantel des Körpers 1 ist unter dem Flüssigkeitsniveau 21 mindestens eine Meßstelle 24 ausgebildet.

Der zylindrische Körper 1 kann durch die in die Doppel­ wand eingeführte kalte Flüssigkeit gekühlt, bzw. durch die eingeführte warme Flüssigkeit bzw. Dampf geheizt werden.

In dem Körper 1 ist mittig eine drehbare Welle 4 montiert, auf welcher bei der dargestellten Ausführung drei Rührer 5, 6, 7 befestigt sind. Zwischen dem am tiefsten liegenden Rührer 5 und dem darüber befindlichen Rührer 6 ist ein Leitschirm 8, zwischen dem Rührer 6 und dem darüber liegenden Rührer 7 ein Leitschirm 9 angeord­ net. Die Leitschirme 8 und 9 sind kegelförmig, vorteilhaft kegelstumpfförmig. Der Kegelwinkel α liegt zwischen 90-120°. Der Kegelstumpf ist unten und oben offen, so dass zwischen der Welle 4 und dem Leitschirm 8 eine kreis­ ringförmige Öffnung 10, und zwischen der Welle 4 und dem Leitschirm 9 eine kreisringförmige Öffnung 11 frei bleiben.

Zwischen dem äusseren Umfang 12 des unteren Randes des Leitschirmes 6 bzw. zwischen dem äusseren Umfang 13 des unteren Randes des Leitschirmes 9 und der inneren Wand des zylindrischen Körpers 1 bleiben kreisringförmige Spalte 14 frei, deren Breite b ist, da der äussere Umfang 12 bzw. 13 des unteren Randes des Leitschirmes 8 bzw. 9 kleiner ist als der innere Umfang der Wand des zylindrischen Körpers 1. Die Breite b des Spaltes 14 hängt von der Konsistenz des in dem Fermentor vorhandenen Stoffes ab, bei dickerem Stoff wird die Breite b des Spaltes 14 grösser gewählt. Der Kegel­ winkel α des Leitschirmes 8 bzw. 9 wird ebenso durch die Konsistenz des in dem Fermentor vorhandenen Stoffes bestimmt.

Zwischen dem Leitschirm 8 und dem darunter befindlichen Rührer 5 bzw. zwischen dem Leitschirm 9 und dem darunter befindlichen Rührer 6 ist je ein Leitring 15 bzw. 16 an­ geordnet. Der äussere Umfang dieser Leitringe 15 bzw. 16 berührt die innere Wand des zylindrischen Körpers 1, bzw. ist bei der dargestellten Ausführung an dieser be­ festigt. Der innere Umfang 17 des Leitringes 15 bzw. der innere Umfang 18 des Leitringes 16 ist mit dem äusseren Um­ fang 12 des unteren Randes des darüber befindlichen Leit­ schirmes 8 bzw. mit dem äusseren Umfang 13 des unteren Ran­ des des darüber befindlichen Leitschirmes 9 identisch oder kleiner.

Die Breite c der Leitringe 15 und 16 hängt auch von der Konsistenz des in dem Fermentor vorhandenen Stoffes ab.

Die Entfernung 19 des Leitringes 15 von dem Leitschirm 8 bzw. die Entfernung 20 des Leitringes 16 von dem Leit­ schirm 9 hängt ebenso von der Konsistenz des in dem Fermen­ tor vorhandenen Stoffes ab.

In der Figur ist nur ein Ausführungsbeispiel der er­ findungsgemässen Vorrichtung dargestellt, doch können die Form und die Abmessungen der Leitschirme und der Leitringe, sowie deren Verhältnis zueinander beliebig geändert werden.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung arbeitet wie folgt: Die in die Vorrichtung unten durch die Luftzuführungsöffnung 2 eintretende Luft dispergiert auf Wirkung des Rührers 5 im der bis zu dem Niveau 21 aufgefüllten Flüssigkeit. Die einmal bereits dispergierte und auf den Weg der Agglomerisation tretende Luft wird durch den Leitring 15 und den Leitschirm 8 in die aktive Rührzone des nächstfolgenden Rührers 6 ge­ bracht, so dass die Luft wieder vollkommen dispergiert wird.

Die wieder zur Agglomerisation neigenden Luftblasen werden durch den Leitring 16 und den Leitschirm 9 in die aktive Rührzone des Rührers 7 gebracht, so dass sie wieder dispergiert werden.

Wir haben die Sulfit-Oxydation bzw. die Menge des während der Oxydation verbrauchten Sauerstoffes in wässerigem Mittel in einem auf drei Niveaus gerührten Modellfermentor so verglichen, dass einmal die Leitschirme und Leitringe einge­ setzt waren bzw. das Rühren ohne diese durchgeführt wurde.

Die Daten sind in der nachfolgenden Tabelle bei einer Lüftung von 1 : 0,4 angegeben.

Aus der Tabelle geht hervor, dass bei gleichem Quer­ schnitt bei Anwendung der Leitringe 15, 16 und der Leit­ schirme 8, 9 aus der durchgeblasenen Luft mit einem Sauer­ stoffgehalt von 21% eine grössere Menge von Sauerstoff absor­ biert wurde. In ähnlicher Weise änderten sich die Werte bei anderen Belüftungsverhältnissen.

Wir haben auch den Energiebedarf untersucht. Bei dem untersuchten Modellsystem war die Verringerung der Energieaufnahme nahezu 30%, doch wird diese Zahl durch die Konstruktion der Vorrichtung, d.h. die geometrische Form, die Abmessungen und die Zahl der Leitelemente stark beein­ flusst. Durch die optimale Veränderung der Konstruktion kann noch weitere wesentliche Energieersparung erreicht werden.

Claims (3)

1. Fermentationsvorrichtung zur aeroben Züchtung von Mikroorganismen, welche Vorrichtung aus einem an beiden Enden in Halbkreisform abgeschlossenen, heizbaren, kühlba­ ren, doppelwandigen, zylindrischen Körper (1) besteht, in welchem auf eine drehbare Welle (4) mindestens zwei Rührer (5, 6, 7) montiert sind und in welchem eine Luftzuführungs­ öffnung (2), eine Luftabführungsöffnung (3) und mindestens ein Dosierstutzen (22), ein Probeentnahmestutzen (23) und mindestens eine Meßstelle (24) vorhanden sind, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Rührern (5, 6, 7) je ein unten und oben offener, zweckmässig kegeliger Leit­ schirm (8, 9) angeordnet ist, bei welchem der äussere Um­ fang (12, 13) des unteren Randes kleiner ist als der innere Umfang des zylindrischen Körpers (1).

2. Fermentationsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen sämtlichen Leitschirmen (8, 9) und den dazugehörigen, unter diesen angeordneten Rührern (5, 6, 7) je ein Leitring (15, 16) angeordnet ist, dessen äusserer Umfang sich mit der inneren Wand des zylindrischen Körpers (1) der Vorrichtung berührt, und der innere Umfang (17, 18) des Leitringes (15, 16) mit dem äusseren Umfang (12, 13) des unteren Randes des unmittelbar über dem Leit­ ring (15, 16) vorhandenen Leitschirmes (8, 9) identisch oder kleiner ist.

3. Fermentationsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschirme (8, 9) kegel­ stumpfförmig sind und der Kegelwinkel (α) zwischen 90°-120° liegt.