DE4118337A1 - Ruehranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rühranordnung nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Derartige Rühranordnungen werden für empfindliche Suspen­ sionen, insbesondere für Bioreaktoren verwendet. In Biore­ aktoren entsteht durch die Stoffwechselvorgänge bei bio­ technologischen Prozessen im allgemeinen als Stoffwechsel­ produkt auch Wärme. Da die Aktivität der Biokatalysatoren, der Enzyme, mit zunehmender Temperatur jedoch abnimmt, oder diese Enzyme ab einer bestimmten Temperatur sogar zerstört werden, muß die entstehende Wärme abgeführt werden. Bei kleinen Reaktorvolumina stellt das kein Problem dar, da die Reaktoroberfläche im Verhältnis zum Inhalt groß ist. Je größer jedoch das Reaktorvolumen wird, desto ungünstiger wird das Verhältnis von wärmeabgebender Oberfläche zum Vo­ lumen, da die Zunahme des Volumens mit zunehmender Größe des Reaktorgefäßbehälters in der dritten Potenz eingeht, die Größe der für einen Wärmeaustausch zur Verfügung ste­ hende Behälterwand jedoch nur quadratisch ansteigt. Je nach Behältergröße und Wärmeaktivität der Mikroorganismen oder Zellen gelangt man daher an einen Punkt, an dem ein erzwun­ gener Wärmeaustausch unumgänglich wird.

In der Regel benutzt man dazu einen Doppelmantel am Behäl­ ter, durch den eine Wärmeträgerflüssigkeit strömt. Diese Art des Wärmeaustausches an Rührkesseln ist in der chemi­ schen Technik üblich und in vielen Ausführungsformen ver­ fügbar.

Beim Einsatz dieses Prinzips in der Biotechnologie müssen allerdings gewisse Randbedingungen eingehalten werden; so ertragen die meisten Mikroorganismen oder Zellen keine großen Temperaturgradienten in der Kulturflüssigkeit. Beim Wärmeaustausch mittels eines Doppelmantelbehälters besitzt die Reaktorinnenwand aufgrund ihrer guten Wärmeleitfähig­ keit nahezu die gleiche Temperatur wie das Kühl-/Heizmedi­ um. Der größte Temperaturgradient befindet sich demnach im Kulturmedium. Mit Rücksicht auf die Empfindlichkeit der Mi­ kroorganismen darf jedoch der Temperaturunterschied zwi­ schen Kulturflüssigkeit und Wärmeträgermedium im Doppelman­ tel nicht größer sein als 0,5 bis 2,0 Kelvin. Der ausge­ tauschte Wärmestrom pro Volumen, der von dem Produkt aus Austauschfläche und Temperaturdifferenz bestimmt wird, wird mit zunehmendem Behältervolumen immer kleiner, da die Tem­ peraturdifferenz konstant bleiben muß. Desweiteren werden die Anforderungen an die Homogenisierungsleistung des Rührers immer größer, da mit zunehmender Behältergröße der Abstand von der Wärmequelle (des Mediums im Reaktor) bis zur Wärmesenke (Behälterwand) in der Regel ebenfalls größer wird.

Weiterhin wird in bekannter Weise versucht durch die An­ ordnung von Wärmetauscherrohren im Reaktorbehälter eine Temperatureinstellung mit niedrigen Temperaturgradienten zu erreichen. Ein Problem bei diesen Anordnungen besteht je­ doch in der Anlagerung von biologischen Zellen an den Wär­ metauscherrohren, die zu einer Verminderung des Wärmeaus­ tausches führen. Durch die im Reaktorbehälter angeordneten Wärmetauscherrohre wird darüber hinaus das Strömungsver­ halten im Reaktorbehälter negativ beeinflußt, so daß diese bekannte Lösung dem Bestreben einer möglichst guten Homoge­ nisierung des Mediums in dem Rührbehälter zuwiderläuft.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Rühranordnung zu schaffen, die eine schonende und doch sehr effektive Wärmezu- und -abfuhr in bzw. aus dem im Rührbehälter befindlichen Medium und eine effiziente Homo­ genisierung des Mediums in gleicher Weise erlaubt.

Diese Aufgabe wird bei einer Rühranordnung der gattungs­ gemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk­ male des Anspruchs 1 gelöst.

Mit dem Rührer bzw. Rührorgan taumelt die Wärmeaustausch­ fläche der Wärmeaustauschanordnung durch den Rührbehälter, insbesondere Reaktor, so daß sich im Behälter ein weitaus homogeneres Temperaturprofil einstellen kann als beim Küh­ len oder Beheizen allein über die Behälterwand.

Wenn der Rührer zumindest für die gegen Temperatur empfind­ lichen Bestandteile des Mediums undurchlässige Wände auf­ weist, und die Wärmetauscheranordnung im Innern des Rührers angeordnet ist, sind höhere Temperaturdifferenzen zwischen dem Medium und der Wärmeaustauschfläche der Wärmetauscher­ anordnung möglich, weil Mikroorganismen oder Zellen mit der Austauschfläche nicht in Berührung kommen. Diese werden durch die porösen Wände vom Innenraum des Rührers fernge­ halten.

Vorteilhafterweise ist der Rührer selbst noch einmal in zwei ineinanderliegende Kammern unterteilt. Die innere Kam­ mer dient zur Begasung der Flüssigkeit, die Heiz-/Kühlspi­ rale befindet sich dagegen in der ringförmigen äußeren Kam­ mer. Diese Konstruktion soll vor allem verhindern, daß sich Gasblasen an der Wärmaustauschfläche festsetzen und dort rekombinieren oder den Wärmeübergang verschlechtern. Durch die aufsteigenden Gasblasen bzw. durch die Zwangs­ durchströmung wird das Medium im Innern des Rührers heftig bewegt, wodurch gute Wärmeaustauschkoeffizienten zwischen der Wärmeaustauschfläche und der Flüssigkeit erzielt wer­ den. Außerdem erreicht man eine Homogenisierung des zunächst starken Temperaturprofils, bevor die Mikroorganismen oder Zellen mit dem aufgeheizten oder abgekühlten Medium in Kontakt kommen.

Die höheren zulässigen Temperaturdifferenzen sowie die höheren Wärmeübergangskoeffizienten führen zu einer klei­ neren benötigten Austauschfläche und erhöhen damit die Fle­ xibilität der Verfahrensführung im Falle der Temperaturre­ gelung, da durch das schnellere Ansprechverhalten eine bes­ sere Regelmöglichkeit geschaffen wird.

In einer anderen Ausführungsform befindet sich im Inneren eines zylindrisch ausgebildeten Rührers eine einem Tauch­ sieder ähnliche Austauschfläche, die von einem gebogenen Rohr gebildet wird. In diesem Rohr fließt die Wärmeträgerflüssigkeit. Die Zu- und Ableitungen werden durch einen in der Mitte des Rührers ausgebildeten Hohlstab geführt. Eine Gaszuführeinrichtung ist vorteilhafterweise als poröse Bodenplatte ausgebildet, durch die das Gas, ins­ besondere Luft oder O₂, vertikal nach oben steigt. Auf diese Weise wird das Medium innerhalb des Rührers verwir­ belt und durch die Taumelbewegung des Rührers wird dieser Verwirbelung eine Querströmung durch den Zylinder überla­ gert. Hierdurch wird sowohl eine gute Homogenisierung der Gasanreicherung als auch eine gute Homogenisierung des Tem­ peraturprofils im Rührbebehälter ermöglicht.

Da für die Belüftung der Zellen das Verhältnis von Rührer­ oberfläche zu Reaktorvolumen konstant gehalten werden muß, und dies auch bei größeren Reaktoren möglich ist, wird so­ mit auch das Verhältnis der Wärmetauscherfläche zum Kessel­ volumen konstant gehalten, da die Rühreroberfläche durch die Mantelfläche eines dreidimensionalen Körpers gebildet wird, und somit auch diese in der dritten Potenz in eine zunehmende Reaktorgröße eingeht.

Die Wärmetauscherrohre sind in dem Rührer derart anzuord­ nen, daß eine Gaszuführung durch den Boden des Rührers nicht zu sehr eingeschränkt wird. Weiterhin muß ein Min­ destabstand der Wärmetauscherrohre zu den porösen Wänden des Rührers, die vorzugsweise als Metallgitter ausgebildet sind, eingestellt werden, um einen Temperaturausgleich in der Richtung des vorbeiströmenden Mediums stromabwärts zu erreichen. Eine Koagulation der Luftblasen an der Oberfläche der Wärmetauscherrohre sollte möglich vermieden werden. Daher ist es vorteilhaft, wenn mehrere bezüglich der Rührerachse axiale Wärmetauscherohre auf einem Teil- oder Vollkreis kreissymmetrisch außerhalb einer im Boden angeordneten Lochplatte für die Gaszuführung angeordnet sind, oder die Wärmetauscherrohre besonders im Kern der Kerze angehäuft sind. Es ist prinzipiell auch möglich, im ganzen Kerzeninnenraum Wärmetauscherrohre rasterartig ver­ teilt anzuordnen; dies erschwert jedoch die technische Rea­ lisierung der Gaszuführung.

Bei Verwendung mehrerer Wärmetauscherrohre können diese parallel oder in Reihe geschaltet werden, wobei die paral­ lele Anordnung den Vorteil hat, daß das Kühlmedium im Vor- und Rücklauf aller Wärmetauscherrohre die gleiche Tempera­ tur hat.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise in der sche­ matischen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt I-I aus Fig. 2 durch einen zylinderförmigen Rührer mit Wärmetauschern und Gas­ zuführung;

Fig. 2 einen axialen Längsschnitt II-II des Rührers aus Fig. 1;

Fig. 3 ein Detail III aus Fig. 1, und

Fig. 4 einen Querschnitt ähnlich Fig. 1 durch Rührer in anderen Ausführungsformen.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen länglichen, zylinderförmigen Rührer 10, der in der Art einer Kerze ausgebildet ist. Die äußere Form des Rührers 10 wird im wesentlichen durch eine Rührachse 12 gebildet, an deren unterem Ende eine Deckplat­ te 14 für den Zylindermantel 16 des Rührkörpers 10 ange­ formt ist. Der Zylindermantel 16 ist porös, d. h. für einen Teil des zu rührenden Mediums durchlässig. Der Zylinderman­ tel ist - wie später noch detailliert beschrieben - aus Ma­ schengewebe hergestellt. Der Rührer 10 wird an seiner Un­ terseite von einer Bodenplatte 18 abgeschlossen. Der Rührer 10 ist somit in der Art einer Hohlkerze oder eines Hohlzy­ linders ausgebildet. Er wird mittels der Rührachse 12 in der Regel taumelnd durch den Rührbehälter bewegt, um auf diese Weise eine möglichst schonende, dennoch effiziente Homogenisierung des Rührmediums zu bewirken. Das Rührmedium besteht aus einem Trägermedium und biologischen Zellen. Das Trägermedium tritt bei der Taumelbewegung des Rührers 10 durch den porösen Zylindermantel 16, wodurch der Raum in­ nerhalb des Zylindermantels 16 beim Rühren durchströmt wird. Innerhalb des Zylindermantels 16 sind Wärmetauscher­ rohre 20 angeordnet, die von einer Kühlflüssigkeit durch­ strömt werden. In der Rührachse 12 ist ein Zufuhrkanal 22 für die Kühlflüssigkeit ausgebildet. Die Kühlfüssigkeit ge­ langt durch einen Rückführkanal 24 in der Bodenplatte und in der Rührachse wieder zu einer externen Kühleinrichtung zurück. Weiterhin ist in der Bodenplatte 18 zum Zylinderin­ nenraum hin eine poröse Platte 26 angeordnet, durch die über einen Gaszufuhrkanal 28 Luft, Sauerstoff oder andere Gase in den Zylinderinnenraum eingeblasen werden können. Die Wärmetauscherrohre 20 und die poröse Platte 26 sind auf einem Vollkreis in dem Rührer 10 angeordnet. In Fig. 1 sind die Wärmetauscherrohre 20 und die poröse Platte der Ein­ fachheit halber nur über einen 180°-Sektor dargestellt. Auf der anderen Hälfte sind in einer alternativen Ausführungs­ form Wärmetauscherrohre 21 mit einer ovalen Grundfläche dargestellt. Die Wärmetauscherrohre können auch eine elliptische oder ähnlich gestaltete Grundfläche aufweisen, die an dem Wärmetauscherrohr eine möglichst große Wärmetau­ scherfläche für den Wärmeübergang in das Trägermedium be­ reitstellt. Der Rührer 10 findet insbesondere in Bioreakto­ ren Anwendung. Ein besonderes Problem besteht bei Bioreak­ toren darin, daß die biologischen Zellen, insbesondere Säugetierzellen, keine großen Scherkräfte und keine großen Temperaturunterschiede vertragen. Daher ist der poröse Zy­ lindermantel 16 des Rührers 10 derart ausgebildet, daß le­ diglich das Trägermedium - nicht jedoch die biologischen Zellen selbst - in das Innere des Zylinders gelangen können.

Dies wird - wie in Fig. 3 dargestellt - z. B. dadurch er­ reicht, daß der Zylindermantel 16 aus einem Gewebe 30, ins­ besondere Metallgewebe, besteht, dessen Maschenweite gerin­ ger als der Durchmesser der biologischen Zellen ist.

Desweiteren sind die Wärmetauscherrohre 20 von dem Metall­ gewebe 30 um den Abstand d beabstandet, wodurch Temperatur­ unterschiede des Fluids in der Strömungsschleppe zwischen Wärmetauscherrohr 20 und Metallgewebe 30 durch eine Durch­ mischung des Fluids in diesem Bereich verringert werden. Der Temperaturunterschied zwischen dem im Bioreaktor be­ findlichen Fluid und dem durch das Metallgewebe 30 hinaus­ strömenden Fluid ist daher soweit verringert, daß die bio­ logischen Zellen in dem Bioreaktor keinen Schaden nehmen.

Die Abwesenheit biologischer Zellen innerhalb des Zylin­ dermantels 16 des Rührers 10 ermöglicht daher einen Tem­ peraturunterschied zwischen Wärmetauscherrohren 21 und Me­ dium, der beim direkten Kontakt der Wärmetauscher mit den biologischen Zellen nicht möglich wäre. Durch die Gas­ zufuhr, insbesondere Zufuhr von Sauerstoff oder Luft, tritt außerdem eine starke Verwirbelung ein, so daß das an den Wärmetauscherrohren 21 vorbeigeströmte kühlere Medium mit dem noch nicht so kühlen Medium innerhalb des Zylinderman­ tels 16 kräftig durchwirbelt wird. Hierdurch wird die Kühl­ leistung relativ gleichmäßig an das gesamte, den Rührer 10 durchströmende Medium abgegeben. Der Rührer erlaubt daher sowohl eine gute Temperaturregelung als auch eine gute Gas­ versorgung des Rührmediums.

Wie in Fig. 4 dargestellt, können die Wärmetauscherrohre in Art einer Serienschaltung hintereinander geschaltet sein (Fig. 4a), wobei die Strömungsrichtung in den kreisförmig angeordneten Wärmetauscherrohren 32 dann jeweils alter­ niert.

Fig. 4b zeigt eine Parallelschaltung von Wärmetauscherroh­ ren, wobei die Kühlflüssigkeit, wie in Fig. 1, durch Wärme­ tauscherrohre 34 zuströmt (+) und über einen zentralen Rücklauf 36 abströmt (-).

Eine Mischung dieser beiden Strömungsprinzipien ist in Fig. 4a realisierbar, wenn die Kühlflüssigkeit durch vier mit "+" gekennzeichnete Wärmetauscherrohre zuströmt und über vier mit "-" bezeichnete Wärmetauscherrohre abströmt.

Die Wärmetauscherrohre können in dem Rührer 10 innerhalb des Zylindermantels 16 nur einen Teilkreis überdecken, wenn z. B. eine geringere Kühl- oder Heizleistung gewünscht ist. Weiterhin können die Wärmetauscherrohre auch rasterartig innerhalb des Zylindermantels 16 angeordnet sein.

Claims (12)

1. Rühranordnung, insbesondere Bioreaktor, mit einem Rührbehälter, mindestens einem Rührer und einer Heiz- und/oder Kühleinrichtung für das Rührmedium mit min­ destens einer Wärmetauscherfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherfläche (20) in oder an dem Rüh­ rer (10) angeordnet ist.

2. Rühranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rührer (10) in der Art eines venezianischen Rührers ausgebildet ist.

3. Rühranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rührer (10) hohl ist und zumindest für Teile des Rührmediums durchlässige Wände (16) aufweist und daß die Wärmetauscherfläche (20) im Innern des Rüh­ rers (10) ausgebildet ist.

4. Rühranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Rührers zumindest zwei Bereiche für eine Gaszufuhr (26) und einen Wärmeaustausch (20) aufweist.

5. Rühranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Bereiche zumindest teilweise voneinander abgetrennt sind.

6. Rühranordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich den ersten Bereich (26) ring­ förmig umgibt.

7. Rühranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherfläche in Form von Heiz-/Kühl­ spiralen ausgebildet ist.

8. Rühranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rührer (10) zylinderförmig ausgebildet ist und daß der Zylindermantel (16) aus Metallgewebe (30) be­ steht.

9. Rühranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschenweite des Metallgewebes (30) geringer ist als der Durchmesser von in dem Rührmedium befindlichen biologischen Zellen.

10. Rühranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherfläche durch zylindrische Wärme­ tauscherrohre mit kreiszylindrischer, elliptischer oder ovaler Grundfläche gebildet sind.

11. Rühranordnung nach Anspruch 3 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre (20) von den durchlässigen Wänden (16) beabstandet (d) sind.

12. Rühranordnung nach Anspruch 3 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zur Rührerachse parallel ausgerichtete Wärmetauscherrohre (20) in einem Abstand (d) auf einem Teilkreis oder Vollkreis in dem Rührer (10) angeordnet sind.