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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen und Belüften der Substratflüssigkeit in
Reaktoren für mikrobiologische Stoffumsetzungen mit einem zylindrischen oder kugelförmigen Behälter mit
Substratflüssigkeitskreislauf, in welchem Kreislauf sowohl der bzw. die für die Kühlung erforderlichen Wärmeaustauscher als auch Luftzufuhrrohre angeordnet sind, und die eingeleitete Luft zusammen mit der
Substratflüssigkeit vermischt und umgewälzt wird.
In Behältern, in welchen unter aeroben Bedingungen Mikroorganismen gezüchtet werden, treten vielfach zwei grosse Schwierigkeiten auf - einmal die intensive Vermischung der Flüssigkeit mit grossen Mengen Luft und zweitens die Abführung der beim Wachstum der Mikroorganismen entstehenden Wärme.
Beide Probleme stellen den Konstrukteur vor schwierige Aufgaben, indem sowohl die Luftzufuhr als auch die Wärmeabfuhr bedeutende Energien erfordern. Bei grossen Bioreaktoren, bei denen Luftmengen von einigen hundert Kubikmeter Luft pro Minute eingeblasen werden müssen, sind Luftkompressoren notwendig mit Tausenden von Kilowatt Leistung. Anderseits müssen Tausende von Quadratmetern Kühlfläche eingesetzt werden, um die Oxydationswärme abzuführen.
Speziell auf dem Gebiet der Erzeugung von Nahrungs- und Futtermittel-Proteinen, d. h. bei der Züchtung von Hefen, Bakterien und Pilzen sind deshalb viele Apparate vorgeschlagen worden, welche diesen Schwierigkeiten Rechnung tragen sollen.
Die Aufgabe der Belüftung einerseits und die Aufgabe der Wärmeabfuhr anderseits wurden meistens getrennt gelöst. So wurden Hochleistungsbioreaktoren vielfach mit aussenliegenden Wärmeaustauschern versehen, in welchen die Flüssigkeit gekühlt wird, während die Belüftung im Fermenterbehälter erfolgt.
Dies hat jedoch zwei Nachteile. Erstens leiden die Mikroorganismen im Wärmeaustauscher unter Sauerstoffmangel und zweitens sind Umwälzpumpen mit grosser Leistung notwendig. Die Belüftung im Bioreaktor selbst benötigt ihrerseits grosse Kompressorleistung zur Überwindung des statischen Flüssigkeitsdruckes.
Beim Einbau von einigen Tausend Quadratmetern Wärmeaustauschfläche werden grosse Anforderungen an die Konstruktion gestellt. So sind beim klassischen Einbau eine grosse Anzahl von Rohranschlüssen erforderlich. Undichtigkeiten können nur schwer gefunden werden. Auch die Reinigung bereitet grosse Schwierigkeiten.
Es wurde bereits versucht, durch zweckmässige Anordnung der Luftzufuhr und der Wärmeabfuhr Energieeinsparungen zu erreichen und dabei einen augenblicklichen Sauerstoffmangel der Mikroorganismen während des Kühlvorganges zu vermeiden.
Dazu wurde ein Kreislauf des Behälterinhaltes bewerkstelligt und in diesem Kreislauf sowohl der bzw. die für die Kühlung erforderlichen Wärmeaustauscher als auch die zur Einführung der Luft vorgesehenen Luftzufuhrrohre angeordnet.
In der US-PS Nr. 3, 681, 200 ist ein derartiger Reaktor beschrieben. Dort ist der zylindrische Bereich des Innenraumes eines Reaktors vollständig als Wärmeaustauscher ausgebildet. Um einen Substratkreislauf zu erzielen, werden die parallelen, senkrechten Rohre gruppenweise belüftet, die nicht belüfteten Rohre dienen dem Rücklauf. Bei einer Ausführungsform wird eine Aufwärtsströmung nach dem Luftheberprinzip (Mammutpumpe) erzeugt, bei einer zweiten wird durch Propellerförderer in Rohrgruppen eine Abwärtsströmung erzeugt, in die Luft eingespeist wird. Diese Konstruktion ist technisch aufwendig und unter anderem schwierig zu kontrollieren und zu reinigen, daher störanfällig ; es herrschen schlecht definierbare Strömungsverhältnisse.
Diese Nachteile werden erfindungsgemäss dadurch vermieden, dass ein Reaktor vorgesehen wird, bei dem der oder die Wärmeaustauscher als getrennte Blockeinheiten vorgesehen sind und vorzugsweise alle Substratkanäle des (oder der) Wärmeaustauschers sogbelüftet werden.
Der erfindungsgemässe Reaktor ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschflächen in einzelne voneinander getrennte Gruppen aufgeteilt sind, welche als Blockeinheiten in den Reaktor eingebaut sind.
Dabei ist vorzugsweise der Reaktor mit Innenkreislauf ausgestattet, d. h. der (oder die) Wärmeaustauscher erstreckt sich nicht über die ganze Querschnittsfläche des Reaktors, sondern stellt lediglich einen Einbau dar. Weiterhin kann der (oder die) Wärmeaustauscher mit Fördereinrichtung und Belüftungsrohren auch in einem separaten Behälter neben dem eigentlichen Reaktor eingebaut, also Aussenkreislauf vorgesehen sein. Vorzugsweise wird eine Sogbelüftung der Substratkanäle dadurch ermöglicht, dass zu den einzelnen Subtratflüssigkeitskanälen des Wärmeaustauschers Luftzufuhrrohre
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führen, die im Bereich des Soges der umgewälzten Substratflüssigkeit derart münden, dass die aus den Luftzufuhrrohren austretende Luft von der Flüssigkeitsströmung mitgerissen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend an einigen Ausführungsformen von Reaktoren an Hand der Zeichnungen näher erläutert, in denen Fig. 1 einen Bioreaktor im Querschnitt, Fig. 2 einen Querschnitt durch den Bioreaktor nach Fig.1, Fig.3 eine Blockeinheit aus Fig.1, Fig.4 einen kugelförmigen Bioreaktor im Längsschnitt, Fig. 5 einen Kugelfermenter gemäss Fig. 3 im Querschnitt, Fig. 6 eine Blockeinheit in einem liegenden Fermenter, Fig. 7 mehrere Blockeinheiten in einem liegenden Fermenter und Fig. 8 einen Horizontalschnitt eines liegenden Fermenters zeigt.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Bioreaktor, der aus einem Kessel --1-- besteht und in welchen Wärmeaustauschblöcke --2-- eingebaut sind. Die Blockeinheiten --2-- sind auf einem im Boden befestigten Gestell--S--montiert und können sich nach oben frei ausdehnen, beispielsweise während der Erhitzung mit Heisswasser oder Dampf während der Sterilisierung. Der Wärmeaustauscher besitzt Eintrittsstutzen - und Austrittsstutzen-4-- für Kühlmittel während des Betriebes. Der Reaktor besitzt einen Deckel so dass die Blockelemente --2-- ein- oder ausgebaut werden können, ohne den ganzen Reaktor zu demontieren. Die Umwälzvorrichtung --5-- wird durch einen Elektromotor --8-- angetrieben. In der Mitte des Reaktors --1-- befindet sich ein Leitrohr --16--, das in bekannter Weise befestigt ist.
Die Luftzufuhr erfolgt über ein Rohr --6--. Ein Flansch --17-- kann zur Abhebung der oberen Reaktorkesselhälfte dienen. Im oberen Teil befindet sich ein mechanischer Schaumabscheider --7--, der durch einen Elektromotor --18-- angetrieben wird.
Während des Betriebes erzeugt die Umwälzvorrichtung --5-- eine Strömung durch die Blockelemente --2--, wobei die Flüssigkeit im Reaktor über das Umwäzrohr --16-- angesaugt wird. Die Strömungsrichtung ist durch Pfeile angedeutet.
Der Flansch --17-- in der Mitte des Kessels --1-- ermöglicht die Abhebung der oberen Hälfte des Kessels Dies erlaubt eine noch einfachere Kontrolle der Blockelemente --2--.
Fig. 2 zeigt den Reaktor im Querschnitt mit beispielsweise sechs der Wärmeaustauscherblöcke --2--.
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--2-- könnenQuerplatten --2'-- hergestellt sein.
Fig. 3 zeigt eine einzelne Blockeinheit --2-- mit den Sammelrohren --12-- und den Anschlussstutzen - 3 und 4--. Die Blockeinheit --2-- besteht aus einer Anzahl von Wärmeaustauschplatten.
Fig. 4 zeigt eine analoge Ausführungsform in einem kugelförmigen Reaktor. Die Blockeinheiten --2-sind in einem Kessel-l-untergebracht. Auch hier sind die Blockeinheiten --2-- durch Abstützung - befestigt und mit Anschlüssen --3 und 4-- versehen. Das Umwälzrohr --16-- sorgt zusammen mit der Umwälzvorrichtung --5--, angetrieben durch einen Elektromotor --8--, für die Zirkulation der
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frei auf den Abstützungen S und können so geprüft werden.
Fig. 5 zeigt den Kugelreaktorkessel --1-- im Schnitt, wobei wieder die Blockeinheiten --2-- mit radialen oder Querelementen entsprechend Fig. 2 verwendet werden.
Fig. 6 zeigt einen Bioreaktor mit den analogen Blockeinheiten --2-- wie Fig.1, nur in einem Reaktor in liegender Form.
Fig. 7 zeigt einen liegenden Reaktorkessel --1--, in den mehrere Blockeinheiten --2-- eingebaut sind.
Die Blockeinheiten stehen auf den Stützen --S--. Im oberen Teil befindet sich ein grosser Deckel --15--, welcher so dimensioniert ist, dass die eingebauten Wärmeaustauscherblöcke --2-- ausgezogen werden können. Die Ansaug- bzw. Umwälzrohre --16-- können durch entsprechende Anordnung der Wärmeaustauscherblöcke --2-- ersetzt werden. Diese Variante ist in der Mitte der Fig. 7 dargestellt. Die Eintrittstutzen --3-- und Austrittsstutzen --4-- zu den Blöcken --2-- werden acuh hier vorzugsweise im Boden befestigt. In liegender Form können, je nach Länge des Reaktors, beliebig viele Umwälzvorrichtungen --5-- eingebaut werden. Ebenso können oben am Reaktor ein oder mehrere mechanische Schaumabscheider --7-- aufgebaut sein.
Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch einen liegenden Fermenter.
Es hat sich nun gezeigt, dass eine beträchtliche Vereinfachung und dadurch eine Verbilligung durch die Zusammenfassung von solchen Wärmeaustauschern zu kompakten Einheiten erreicht werden kann, die in die Reaktoren eingebaut werden, u. zw. so, dass die Ein- und Ausgänge so gewählt werden, dass sie leicht
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lösbar und montierbar sind. Dies erfolgt vorzugsweise im Boden des Reaktors. Ebenso können die Blockeinheiten auf einer im Reaktorboden befestigten Abstützung montiert und befestigt werden. Auf diese Weise können die einzelnen Blöcke bei geöffnetem Reaktor auf Dichtigkeit geprüft, gut gereinigt und leicht ausgewechselt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Kühlen und Belüften der Substratflüssigkeit in Reaktoren für mikrobiologische Stoffumsetzungen mit einem zylindrischen oder kugelförmigen Behälter mit Substratflüssigkeitskreislauf, in welchem Kreislauf sowohl der bzw. die für die Kühlung erforderlichen Wärmeaustauscher als auch Luftzufuhrrohre angeordnet sind, und die eingeleitete Luft zusammen mit der Substratflüssigkeit vermischt
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